一種防止電池不可逆能量損失的創(chuàng)新工藝

當(dāng)電池充滿電時(shí)，電子設(shè)備通常會(huì)顯示其電量為 100%。然而，由于在電池生產(chǎn)的穩(wěn)定(形成)階段的初始充電期間發(fā)生鋰離子的永久損失，該值僅代表可以存儲(chǔ)在電池中的理論能量密度的 70-90%。通過防止鋰離子的這種初始損失，可以大幅增加電動(dòng)汽車 (EV) 的里程和智能手機(jī)的使用時(shí)間。

為了解決這個(gè)問題，由儲(chǔ)能研究中心 Minah Lee 博士和能源材料研究中心 Jihyun Hong 博士領(lǐng)導(dǎo)的韓國科學(xué)技術(shù)研究院 (KIST)的聯(lián)合研究小組，和氫燃料電池研究中心的 Hyangsoo Jeong 博士開發(fā)了一種電極預(yù)處理解決方案，能夠最大限度地減少石墨-氧化硅(SiOx，0.5 ≤ x ≤ 1.5)復(fù)合陽極中的這種初始鋰離子損失。浸入溶液后，由 50% SiOx組成的負(fù)極表現(xiàn)出可忽略不計(jì)的鋰損失，使全電池表現(xiàn)出接近理想的能量密度。

雖然大多數(shù)商用鋰電池使用石墨負(fù)極，但 SiOx因其高容量(比石墨大 5-10 倍)而作為下一代負(fù)極材料備受關(guān)注。然而，SiOx也不可逆地消耗三倍于石墨的活性鋰。因此，由石墨和 SiOx的混合物組成的復(fù)合電極現(xiàn)在作為實(shí)用的下一代陽極的替代品獲得了認(rèn)可。然而，雖然在較高的 SiOx比率下石墨-SiOx復(fù)合電極的容量相應(yīng)增加，但初始鋰的損失也增加。因此，SiOx的比率石墨-SiOx復(fù)合電極中的含量限制為 15%，因?yàn)閷⒈壤黾拥?50% 將導(dǎo)致初始鋰損失 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)鋰化方法，包括將額外的鋰預(yù)摻雜到陽極中。KIST 的 Minah Lee 博士的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種工藝，其中將電極浸入獨(dú)特的溶液中，以減少 SiOx電極對(duì)鋰的消耗。該團(tuán)隊(duì)隨后將該工藝應(yīng)用于具有顯著商業(yè)化潛力的石墨-SiOx復(fù)合材料。

研究小組發(fā)現(xiàn)，由于石墨具有多功能的嵌入能力，先前開發(fā)的預(yù)處理溶液會(huì)導(dǎo)致溶劑分子與鋰離子意外插入石墨。大溶劑分子的這種嵌入導(dǎo)致石墨-SiOx復(fù)合電極的結(jié)構(gòu)破壞。為了防止電極失效，研究人員開發(fā)了一種使用弱溶劑化溶劑的新溶液，以減少溶劑與鋰離子之間的相互作用。該解決方案能夠選擇性地將鋰離子插入活性材料中，確保向石墨-SiOx復(fù)合電極穩(wěn)定供應(yīng)額外的鋰。

將石墨-SiOx電極浸入研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的溶液中約 1 分鐘后，即使在 50% 的 SiOx比例下，也完全防止了最初的鋰消耗。因此，該電極顯示出接近 100% 的高初始效率，表明初始充電中鋰損失可以忽略不計(jì)(≤ 1%)。通過此過程開發(fā)的電極的容量是傳統(tǒng)石墨負(fù)極的 2.6 倍，同時(shí)在 250 次充電/放電循環(huán)后仍保持初始容量的 87.3%。

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