新型高性能固态电池问世 使用固态电解质和全硅阳极

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  工程师们创造了一种新型的电池,将两个有前途的电池子领域组成一个电池。该电池同时使用固态电解质和全硅阳极,使其成为硅全固态电池。最初的几轮测试表明,这种新电池是安全的、持久的、能量密集的。它为从电网存储到电动汽车等广泛应用带来了希望。   该电池技术在2021年9月24日的《科学》杂志上有描述。加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师领导了这项研究,并且与LG能源解决方案的研究人员合作。硅阳极以其能量密度而闻名,它比当今商业锂离子电池中最常使用的石墨阳极高出10倍。另一方面,硅阳极因其在电池充电和放电时的膨胀和收缩,以及其在液体电解质中的降解而臭名昭著。尽管其能量密度诱人,这些挑战使全硅阳极被排除在商业锂离子电池之外。发表在《科学》杂志上的新工作为全硅阳极提供了一条有希望的发展道路,这要归功于正确的电解质。   这种全固态电池由阴极复合层、硫化物固体电解质层和无碳微硅阳极组成。在充电之前,离散的微尺度硅颗粒构成了能量密集的阳极。在电池充电过程中,正锂离子从阴极移动到阳极,并形成一个稳定的二维界面。随着更多的锂离子进入阳极,它与微硅反应,形成相互连接的锂硅合金(Li-Si)颗粒。该反应继续在整个电极上传播。该反应导致微硅颗粒的膨胀和致密化,形成致密的锂硅合金电极。锂硅合金和固体电解质的机械性能在保持二维界面平面的完整性和接触方面具有关键作用。   具有高能量密度的下一代固态电池一直依赖金属锂作为负极。但这对电池的充电率有限制,而且在充电过程中需要升高温度,硅阳极克服了这些限制,允许在室温和低温下有更快的充电速率,同时保持高能量密度。该团队展示了一个实验室规模的全电池,在室温下可进行500次充电和放电循环,容量保持率为80%,这对硅阳极和固态电池界来说都是令人激动的进展。
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