鋰離子電池已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。然而，我們這個(gè)能源緊缺的社會(huì)要更長(zhǎng)的壽命、更快的充電速度和更輕的電池，以滿足從電動(dòng)汽車到便攜式電子產(chǎn)品的各種應(yīng)用。

我們能更接近這種更輕、更快充電的電池嗎？目前的鋰離子電池以石墨為陽(yáng)極，容量相對(duì)較小，可以用硅陽(yáng)極代替，容量大，對(duì)環(huán)境影響小。這是一個(gè)極有希望的研究方向，但難以捉摸，因?yàn)閹в写箢w粒硅陽(yáng)極的電池往往壽命更短。當(dāng)研究人員嘗試使用硅、鋁和鉍的納米顆粒時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)這些納米尺寸的合金陽(yáng)極仍然存在周期短、成本高的問(wèn)題。馬里蘭大學(xué)化學(xué)和生物分子工程學(xué)教授王春生（音譯）和他的同事們可能已經(jīng)找到了解決這個(gè)降解問(wèn)題的新方向：電解質(zhì)。

來(lái)自馬里蘭大學(xué)和美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究小組已經(jīng)制造出一種能在硅上形成保護(hù)層的電解液，該保護(hù)層是穩(wěn)定的，并能抵抗硅陽(yáng)極顆粒的膨脹。新的電解質(zhì)——合理的設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)幕驹怼獮楣璧年?yáng)極粒子供應(yīng)了膨脹的空間來(lái)觀察保護(hù)層。研究結(jié)果發(fā)表在2020年四月二十日的《自然能源》雜志上。

圖片來(lái)源：馬里蘭大學(xué)

論文的重要作者陳季博士，說(shuō)，“我們的研究證明，穩(wěn)定循環(huán)硅，鋁和鉍粒子作為鋰離子是可行且可行的。電池陽(yáng)極，簡(jiǎn)單地采用合理設(shè)計(jì)的電解質(zhì)，以前被認(rèn)為是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。”

“電池的能量密度是由電極決定的，而電池的性能是由電解質(zhì)嚴(yán)格控制的?！痹O(shè)計(jì)的電解質(zhì)可以使用微型合金陽(yáng)極，這將顯著提高電池的能量密度，”馬里蘭大學(xué)的范秀林（音譯）博士說(shuō)，他是該研究的第一作者之一，現(xiàn)在是我國(guó)浙江大學(xué)的教授。

奧萊格博士說(shuō)：“目前通過(guò)分子建模和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的努力，為合理設(shè)計(jì)電解液的新方向開(kāi)辟了一條清晰的道路，從而使高容量硅陽(yáng)極具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命?！?/p>

目前硅陽(yáng)極電解液的設(shè)計(jì)目標(biāo)是形成一種均勻的聚合物層，稱為固體電解質(zhì)界面，或SEI，它是靈活的，并與硅緊密結(jié)合。然而，由于聚合物SEI與硅之間的強(qiáng)鍵合用途，使得SEI的體積變化與陽(yáng)極顆粒相同，因此在電池運(yùn)行過(guò)程中，顆粒和SEI都會(huì)發(fā)生裂紋。

馬里蘭大學(xué)化學(xué)和生物分子工程學(xué)教授王春生說(shuō)：“經(jīng)過(guò)對(duì)硅電極的廣泛研究，電池界已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，這種微型硅陽(yáng)極不能用于商用鋰離子電池。我們成功地防止了SEI的損害，通過(guò)形成一種與鋰化硅顆粒親和力較低的陶瓷SEI，因此鋰化硅可以在體積變化過(guò)程中重新在界面上移動(dòng)，而不會(huì)損害SEI?！彪娊庖旱脑O(shè)計(jì)原則適用于所有的合金陽(yáng)極，這為開(kāi)發(fā)高能電池供應(yīng)了新的機(jī)遇。