锂离子电池中硅阳极为何会快速退化？

锂离子电池中的硅阳极为何会快速退化和失效？宾夕法尼亚州工程研讨人员最近的一项研讨供给了新的见地。科研团队运用先进的成像技能和高对比度的金来替代硅，显现了阳极的碎片在电池循环中是怎么被困在构成的化学层中，逐步掏空阳极，直到它散架。

可充电的锂离子电池无处不在，为智能手机、平板电脑、笔记本电脑以及越来越多的电动汽车供给动力。因而，使这些电池更轻、更小、更廉价，而且能够更快地充电，一起又不影响功能，是一个严重的规划应战。为了处理这个问题，科学家和工程师正在开发新的电极资料，能够在相同的空间内贮存更多的锂。

其间一个有期望的处理方案是电池的负极（也称阳极）运用铝合金资料。例如，一磅的硅发生的“合金型”阳极，能够存储大约 10 磅石墨相同的锂，后者是现在在商业锂离子电池中运用的“插层型”（intercalation-type）阳极。这意味着用前者替代后者有或许使阳极轻 10 倍，并大大缩小。

虽然有这样的许诺，合金型阳极还没有得到广泛的选用。这部分是由于当锂离子被刺进阳极内的合金型硅颗粒时，这些颗粒开端胀大并决裂，导致电池在只是几个充电周期后就失效。缩小这些颗粒的尺度，使其特征处于纳米级--例如在纳米多孔硅中--能够缓解这种退化，但实践的效果机制还没有被彻底了解。

现在，在发表于《ACS动力通讯》的一项研讨中，宾夕法尼亚州工程公司的研讨人员提醒了当合金型阳极充电和放电时在纳米尺度上发生的杂乱电化学进程。对现在阻止这类有出路的储能资料的降解行为的更好了解，能够为新的、更有用的电池规划翻开大门。

在本研讨之前，惯例合金型阳极退化是怎么发生的，其根本模型显现在本图的上半部分。当带有硅阳极的锂离子电池充电时，硅颗粒（浅蓝色）在吸收锂离子时物理性地增加。在这些含锂的硅颗粒（深蓝色）周围还构成了一层SEI，即固体电解质相（灰色），只是在电池放电时断开。

这项研讨为退化的原因供给了新的见地，如图中的底部所示。在充电进程中，硅片被困在 SEI 中，当 SEI 在放电进程中与它别离时，本来的颗粒就变成了多孔的。跟着这个进程的重复，粒子的缩短越来越大，直到它终究散开。资料来历：宾夕法尼亚大学工程学院

这项研讨是由资料科学与工程（MSE）系的史蒂芬森学期助理教授 Eric Detsi，以及研讨生研讨助理 John Corsi 和 Samuel Welborn 进行的。他们与 MSE 教授和物质结构研讨实验室（LRSM）主任 Eric Stach 协作。

正如其称号所示，锂离子电池经过正极（也被称为阴极）的锂与阳极资料之间的电化学反响来贮存能量。在充电进程中，当锂离子实践进入阳极晶格中的空间时，它们与该资料结合，并在此进程中吸收电子；放电时，电池会移除锂，以便重复这一进程，但在合金型阳极的情况下，也会导致阳极资料增加并终究开裂。

在这些进程中，有多个中心进程；了解它们在细密硅和纳米多孔硅之间的不同，或许会对后者为什么能更好地抵挡降解供给一些提示。但是，对这些进程的亲近查询一向受阻于在如此小的尺度上对相关硅结构进行成像的应战。

Detsi 说：“为了处理这一应战。咱们运用透射电子显微镜和X射线散射技能的共同组合来研讨锂离子电池阳极在充电和放电进程中的退化。咱们运用金而不是硅，由于金在电子显微镜成像进程中发生比硅更好的对比度。这能够清楚地检测到在充电和放电进程中在金电极上构成的固体电解质相间外表涂层，称为 SEI。金也比硅散射更多的X射线，这使得它更简单勘探在这些进程中阳极结构的改变”。