研究參數(shù)(圖片來(lái)源:KIST)
當(dāng)
電池充滿電時(shí),電子設(shè)備通常會(huì)顯示擁有100%的電量。但是,由于鋰離子
電池在電池生產(chǎn)的穩(wěn)定(形成)階段的首次充電中就會(huì)產(chǎn)生永久性損失,通常100%的電量只代表電池可存儲(chǔ)的理論能量密度為70%至90%。如果能夠阻止鋰離子電池在首次充電時(shí)產(chǎn)生損耗,就可以大幅增加電動(dòng)汽車(EV)的續(xù)航里程以及智能手機(jī)的使用時(shí)間。
據(jù)外媒報(bào)道,為了克服這一問(wèn)題,韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院(KIST)與能源存儲(chǔ)研究中心、能源材料研究中心以及氫燃料電池研究中心組成了聯(lián)合小組,研發(fā)了一種電極預(yù)處理溶液,能夠最大限度地減少石墨硅氧化物(SiOx)復(fù)合陽(yáng)極中的初始鋰離子電池?fù)p耗。在浸入溶液之后,由50%石墨硅氧化物制成的陽(yáng)極的鋰離子損耗幾乎可以忽略不計(jì),從而可以讓整個(gè)電池實(shí)現(xiàn)接近理想的能量密度。
雖然大部分商用鋰電池都采用石墨制陽(yáng)極,但是石墨硅氧化物的容量是石墨的5至10倍,因此被認(rèn)為是下一代陽(yáng)極材料。不過(guò),石墨硅氧化物消耗的活性鋰是石墨的三倍。因此,由石墨與石墨硅氧化物混合制成復(fù)合電極作為下一代實(shí)用陽(yáng)極而獲得認(rèn)可。不過(guò),當(dāng)石墨硅氧化物含量較高時(shí),石墨-石墨硅氧化物復(fù)合電極的容量也會(huì)相應(yīng)增加,同時(shí),初始鋰損失也會(huì)增加。因此,石墨-石墨硅氧化物復(fù)合電極中的石墨硅氧化物含量的比例應(yīng)該限制在15%,因?yàn)槿绻黾又?0%,初始鋰的損失將會(huì)達(dá)到40%。
為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)高容量和高初始效率,科學(xué)家們提出了各種預(yù)鋰化的方法,包括提前將額外的鋰摻雜到陽(yáng)極中。KIST的研究人員研發(fā)了一種工藝,將電極浸入特殊的溶液中,以減少石墨硅氧化物對(duì)鋰的消耗。隨后,該團(tuán)隊(duì)將該工藝應(yīng)用于具有很大商業(yè)化潛力的石墨-石墨硅氧化物復(fù)合材料中。
該研究小組發(fā)現(xiàn),由于石墨具有多功能插層功能,之前研發(fā)的預(yù)處理溶液會(huì)讓帶有鋰離子的溶液分子意外插入到石墨中。此種大溶液分子的插入會(huì)導(dǎo)致石墨-石墨硅氧化物復(fù)合電極的結(jié)構(gòu)破壞。為了防止電極失效,研究人員研發(fā)了一種新溶液,采用了一種弱溶劑,以減少溶劑與鋰離子之間的互動(dòng)。該溶液能夠選擇性地將鋰離子插入到活性材料中,確保能夠向石墨-石墨硅氧化物復(fù)合電極穩(wěn)定供應(yīng)額外的鋰。
該石墨-石墨硅氧化物電極在該研究小組研發(fā)的溶液中浸漬約1分鐘,即使石墨硅氧化物的含量達(dá)到了50%,也完全避免了初始鋰消耗。因此,當(dāng)電極的初始效率達(dá)到近100%時(shí),指代在首次充電時(shí),鋰損失(≤ 1%))可以忽略不計(jì)。采用該工藝制成的電極容量比傳統(tǒng)石墨陽(yáng)極高了2.6倍,同時(shí),在250次充放電循環(huán)后,保持了87.3%的初始容量。
KIST的Minah Lee表示:“從研究結(jié)果來(lái)看,相比于傳統(tǒng)材料中石墨-石墨硅氧化物復(fù)合陽(yáng)極中的石墨硅氧化物含量只允許為15%,新工藝可將含量增加至超50%,從而能夠生產(chǎn)出容量更大的鋰離子電池,并提升未來(lái)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。該技術(shù)還很安全,適合用于大規(guī)模生產(chǎn),因此有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。”
(責(zé)任編輯:子蕊)