“研究人员发明出成像硅阳极退化的新做法 或有助于提高电池性能”

世界汽车信息显示，工程科学、力学和生物工程教授孙正义及其研究小组开发了表征硅结构和化学演化的新方法，开发了控制电池稳定性的薄层，有助于解决不将硅用于大容量电池的问题。 该研究的要点是阳极、负极和电解质的界面，可以在阳极和阴极之间移动电荷。 固体电解质中间相( sei )层一般形成在固体电极和液体电解质之间的电极表面，对控制电池内的电化学反应和电池的稳定性至关重要。 采用硅作为阳极可以制造更好的充电电池。

(图片来源: jennifer m. mccann )

zhang说:“在过去的十年中，硅作为可充电电池的高容量负极，受到了很多关注。 目前，商业电池的负极材料主要使用石墨，但硅的容量约为石墨的10倍。 因此，全世界在硅电池的研究上花费了数千万美元，甚至数亿美元。 ”

这对于希望通过电动汽车和强大的便携式电子设备实现基础设施电气化的社会来说，是非常令人鼓舞的，但也存在许多挑战。 电池充放电过程中，硅的体积膨胀收缩，硅材料破裂。 该sei一旦破碎再生，将失去电接触，容量(电池中储存的电荷量)将下降。 因为准确地知道这个过程是如何在结构和化学方面发生的对处理问题很重要。

zhang说:“由于sei层的稳定性控制着电池的稳定性，所以不希望在没有控制的情况下生长消耗电解质材料和活性锂，电解液干燥损失活性物质，从而对电池性能产生不良影响。”

zhang还说:“sei层对电池很重要。 但是，它非常薄，在光学显微镜看不到的同时，还会在电池的循环中动态进化。 当然，超纳米级的非常薄的材料的透射电子显微镜备受关注。 但是，为了得到材料成分的高分辨率图像，需要发送大量的电子，因此sei层非常柔软，容易被电子束破坏。”

为了克服这一问题，研究人员采用了低温扫描透射电子显微镜( cryo-stem )，在基于cryo-stem显微镜的制作和图像形成中保持循环电极材料的低温，将电子束对试样的损伤降到最低。 另外，将用于3d成像的高灵敏度元素断层摄影和用于以低电子束量拍摄图像的高级算法综合，生成sei-相互作用的3d视图，可以在不同次数的电池循环后进行拍摄。

(视频来源:宾夕法尼亚州立大学)

“我们的做法的独特之处在于cryo-stem成像和多物理过程建模。 我们可以在电池循环运行后可视化硅和sei的演变，用计算模拟整个循环期间微观结构的演变过程。 这就是这项研究的新奇之处。 ”

这项工作可以更好地理解硅阳极中导致sei层生长和不稳定的机理。 zhang说:“因此，随着对sei层生长机理的了解，我们对如何提高硅负极和电池设计的性能有了越来越多的想法，可以为新一代锂电池制造更牢固的硅负极。”

zhang认为新一代锂电池会给领域和普通客户带来很多利益。 zhang说:“硅的储量丰富，可以降低电池的价格。 另外，如果能够采用硅作为循环寿命较长的阳极，则会大幅提高充电电池的容量。 ”

zhang通过批判性地理解硅负极电池在充电和放电的过程中会演化sei层，表示接下来将利用这些知识，支持设计不会因循环而失去容量的硅负极电池。 zhang说:“随着我们对这一潜在机理的理解，我们提出了一系列科学假设，然后利用硅阳极进行测试，以减轻与硅体积变化相关的不良影响。 通过控制目前无法控制的要素，可以设计性能更好的硅电极。 ”