科學(xué)家探究硅負(fù)極力學(xué)化學(xué)性質(zhì)，助力高比能硅基全固態(tài)電池商業(yè)化
給手機(jī)、電腦等電子設(shè)備充電，已經(jīng)成為現(xiàn)代人習(xí)以為常的操作。而“萬(wàn)物皆可充電的世界”得以實(shí)現(xiàn)的根本原因，是鋰離子電池的成功開(kāi) 發(fā)。
液態(tài)鋰離子電池是鋰離子電池的一種類(lèi)型。它因具備快速充電、 高能量密度、良好的穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，幾乎應(yīng)用于當(dāng)下所有的電子設(shè)備中。
但不可忽視的是，這種電池也具有兩方面重要缺陷。首先，其使用壽命不夠長(zhǎng)，像手機(jī)這類(lèi)電子設(shè)備通常一天便要充一次電。
其次，它的安全性也存在一定隱患，在遭受外界沖擊和破壞的情況下，可能會(huì)因?yàn)槁┮憾鴮?dǎo)致爆炸或起火。
不過(guò)，為了克服上述問(wèn)題，近年來(lái)相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家們已經(jīng)將研究目光轉(zhuǎn)向固態(tài)電池領(lǐng)域。
固態(tài)電池，顧名思義就是將液態(tài)電池中的可燃液體成分替換為固體成分。因?yàn)檎麄€(gè)電池都由固體成分組成，所以它不具有可燃缺陷，能夠大大提高安全性。
與此同時(shí)，對(duì)固態(tài)電解質(zhì)的使用也能導(dǎo)致電池可匹配更高的正極材料和鋰金屬材料，進(jìn)而大大提升能量密度。
和其他的負(fù)極材料相比，鋰金屬負(fù)極擁有的比能量最高，所以它也是當(dāng)前固態(tài)電池領(lǐng)域最為熱門(mén)的研究方向之一。英國(guó)牛津大學(xué)博士后研究員霍翰宇，便是該方向的一名研究人員。
他在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，固態(tài)鋰金屬電池中鋰金屬和固態(tài)電解質(zhì)的界面在接觸時(shí)不僅存在化學(xué)不穩(wěn)定的情況，還會(huì)生長(zhǎng)出鋰枝晶，在經(jīng)過(guò)短期循環(huán)以后，很容易發(fā)生短路現(xiàn)象。
因此，他決定將研究方向轉(zhuǎn)到固態(tài)硅基電池，后者和鋰金屬具有同樣高的比能量，但生產(chǎn)成本和在空氣中的穩(wěn)定性均勝過(guò)鋰金屬。
“硅負(fù)極材料最大的問(wèn)題在于，進(jìn)行充放電時(shí)會(huì)發(fā)生 300% 的體積膨脹，而這很容易在固體-固體界面產(chǎn)生一系列問(wèn)題，包括固體-固體界面的化學(xué)反應(yīng)和接觸失效等。”霍翰宇表示。
基于此，為了弄清硅體積的膨脹和收縮對(duì)固態(tài)硅基電池的影響，他和所在課題組的成員在定量地解釋固體-固體界面的化學(xué)反應(yīng)速率的同時(shí)，也對(duì)充放電過(guò)程中體積變化導(dǎo)致的固體-固體界面接觸失效進(jìn)行了機(jī)理分析。
接著，他們根據(jù)失效分析提出了解決策略，即采用一層薄薄的聚合物改性層改善固體-固體的失效界面。
霍翰宇解釋道：“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這層聚合物改性層就像海綿一樣，能夠吸收硅材料體積膨脹或收縮時(shí)帶來(lái)的應(yīng)力變化，并進(jìn)行一些良好的自適調(diào)節(jié)，進(jìn)而保證能夠抑制固體-固體界面的化學(xué)反應(yīng)和接觸不良。”
近日，相關(guān)論文以《固態(tài)電池中硅負(fù)極的化學(xué)機(jī)械失效機(jī)制》（Chemo-mechanical failure mechanisms of the silicon anode in solid-state batteries）為題在 Nature Materials 上發(fā)表。
霍翰宇為該論文的第一作者兼共同通訊作者，德國(guó)尤斯圖斯-李比希大學(xué)尤爾根·賈內(nèi)克（Jürgen Janek）教授、德國(guó)馬克斯·普朗克鋼鐵研究所迪爾克·拉貝（Dierk Raabe）教授擔(dān)任該論文的共同通訊作者。
顯而易見(jiàn)，硅負(fù)極材料在固態(tài)電池中擁有良好的應(yīng)用前景。但目前來(lái)看，即便利用聚合物對(duì)固態(tài)硅基電池進(jìn)行界面改性，可在實(shí)際循環(huán)的過(guò)程中，還是需要再加注 50 兆帕的巨大壓力，這也使得其商業(yè)化應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。
因此，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在保證固態(tài)硅基電池?fù)碛辛己玫难h(huán)的同時(shí)，降低運(yùn)行過(guò)程中所需的大壓力，以使其迎來(lái)更好的商業(yè)化前景。
另外，如上所說(shuō)，霍翰宇一直聚焦于固態(tài)電池領(lǐng)域的研究。他的求學(xué)經(jīng)歷非常豐富，曾先后在加拿大、德國(guó)和英國(guó)等國(guó)家留學(xué)。而在不同的科研環(huán)境中，他也收獲了一些有趣的體驗(yàn)。
具體來(lái)說(shuō)，雖然他曾加入過(guò)的所有實(shí)驗(yàn)室都擁有良好的研究氛圍和先進(jìn)的研究設(shè)備，但不同國(guó)家的科研節(jié)奏和對(duì)課題的思考方式各不相同。比如，加拿大更注重對(duì)性能或應(yīng)用的研究，德國(guó)和英國(guó)則更專(zhuān)注于機(jī)理研究。
“在北美和歐洲得到的這些研究體驗(yàn)，也有助于我將應(yīng)用和機(jī)理的思維進(jìn)行結(jié)合，以更加全面地推進(jìn)在固態(tài)電池領(lǐng)域的研究?！被艉灿钫f(shuō)。
參考資料：
1.Huo, H., Jiang, M., Bai, Y.et al. Chemo-mechanical failure mechanisms of the silicon anode in solid-state batteries. Nature Materials. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01792-x
https://pvbuzz.com/silicon-anodes-in-solid-state-batteries-enhanced-battery-performance/
運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍
《轉(zhuǎn)》