Новый метод заливки увеличивает срок службы батареи и повышает эффективность

Батареи с кремниевым анодом могут революционизировать возможности хранения энергии, что является ключом к достижению климатических целей и раскрытию полного потенциала электромобилей.

Однако необратимое истощение ионов лития в кремниевых анодах ставит серьезное ограничение на разработку литий-ионных батарей следующего поколения.

Ученые из инженерной школы Джорджа Р. Брауна при Университете Райса разработали легко масштабируемый метод оптимизации предварительного литиирования — процесса, который помогает уменьшить потери лития и улучшить жизненный цикл аккумуляторов путем покрытия кремниевых анодов стабилизированными частицами металлического лития (SLMP).

Инженер-химик и биомолекулярный инженер Сибани Лиза Бисвал из лаборатории Райса обнаружила, что напыление на аноды смеси частиц и поверхностно-активного вещества увеличивает срок службы батареи на 22–44%. Аккумуляторные элементы с большим количеством покрытия изначально обеспечивают более высокую стабильность и срок службы. Однако был и недостаток: при работе на полную мощность большее количество частиц покрытия приводило к большему улавливанию лития, в результате чего батарея разряжалась быстрее в последующих циклах. Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Energy Materials.

Замена графита на кремний в литий-ионных батареях значительно улучшит их плотность энергии (количество запасаемой энергии относительно веса и размера), поскольку графит, состоящий из углерода, может упаковывать меньше ионов лития, чем кремний. На каждый ион лития требуется шесть атомов углерода, тогда как только один атом кремния может связываться с четырьмя ионами лития.

«Кремний — один из тех материалов, которые способны действительно улучшить плотность энергии на анодной стороне литий-ионных батарей», — сказал Бисвал. «Вот почему в настоящее время в науке о батареях наблюдается толчок к замене графитовых анодов кремниевыми».

Однако у кремния есть и другие свойства, которые создают проблемы.

«Одна из основных проблем кремния заключается в том, что он постоянно образует то, что мы называем межфазным слоем твердого электролита или слоем SEI, который фактически поглощает литий», — сказал Бисвал.

Слой образуется, когда электролит в аккумуляторном элементе реагирует с электронами и ионами лития, в результате чего на аноде осаждается слой солей нанометрового размера. После формирования слой изолирует электролит от анода, предотвращая продолжение реакции. Однако SEI может выйти из строя во время последующих циклов зарядки и разрядки, и по мере его восстановления он еще больше необратимо истощает литиевый запас батареи.

«Объем кремниевого анода будет меняться в зависимости от цикла работы батареи, что может привести к поломке SEI или иным образом сделать его нестабильным», — сказал Куан Нгуен, докторант химической и биомолекулярной инженерии и ведущий автор исследования. «Мы хотим, чтобы этот слой оставался стабильным на протяжении последующих циклов зарядки и разрядки аккумулятора».

Метод предварительного литиирования, разработанный Бисвал и ее командой, повышает стабильность слоя SEI, что означает, что при его формировании истощается меньше ионов лития.

«Предварительная литизация — это стратегия, разработанная для компенсации потерь лития, которые обычно происходят с кремнием», — сказал Бисвал. «Вы можете думать об этом как о грунтовании поверхности, например, когда вы красите стену, и вам нужно сначала нанести грунтовочный слой, чтобы краска прилипала. Предварительная обработка позволяет нам «загрунтовать» аноды, чтобы батареи могли иметь гораздо более стабильный, более длительный срок службы».

Хотя эти частицы и предварительное литирование не являются чем-то новым, лаборатории Бисвала удалось усовершенствовать процесс таким образом, чтобы его можно было легко включить в существующие процессы производства аккумуляторов.

«Одним из аспектов процесса, который определенно является новым и который разработал Куан, было использование поверхностно-активного вещества, помогающего диспергировать частицы», — сказал Бисвал. «Раньше об этом не сообщалось, и именно это позволяет добиться равномерного распределения. Таким образом, вместо того, чтобы скапливаться или накапливаться в разных карманах внутри батареи, они могут быть равномерно распределены».