現(xiàn)有的大多數(shù)鋰電池(LIBs)集成了石墨陽極，其容量約為每克350毫安時(mAh)。硅陽極的容量幾乎是石墨陽極的10倍(每克約2800毫安時)，因此理論上可以開發(fā)出更緊湊、更輕的鋰電池。

盡管硅陽極具有更高的容量，但迄今為止，硅陽極還無法和石墨陽極競爭，因為硅在電池運行過程中會膨脹和收縮，因此在電池工作時，陽極的外層保護層很容易破裂。在最近發(fā)表在《NatureEnergy》雜志上的一篇論文中，美國馬里蘭大學和陸軍研究實驗室的研究人員提出了一種新的電解液設(shè)計，可以克服現(xiàn)有硅陽極的局限性。

覆蓋富含LiF的SEI層的Si顆粒

硅陽極及其形成的固體電解質(zhì)相間層（SEI）保護層在電池運行過程中更容易被粉碎，因為SEI和Si牢固地結(jié)合在一起，所以兩者都經(jīng)歷了大量的變化，進行這項研究的重要研究人員之一JiChen說。

SEI是一種保護層，當正極顆粒直接接觸電解質(zhì)時，會自然形成保護層。這層保護層的用途是防止電池內(nèi)部發(fā)生進一步的反應(yīng)，將陽極和電解液分開。

假如這個保護層在Si陽極粒子膨脹或收縮過程中被破壞，新暴露的陽極粒子就會和電解液不斷發(fā)生反應(yīng)，直到電池循環(huán)過程中電解液耗盡，陸軍研究實驗室參和研究的高級化學家OlegBorodin說。

十多年來，全世界的研究小組一直在努力克服阻礙硅陽極在LIB中使用的問題，重要是通過設(shè)計柔性和有機的SEI，使其和陽極一起膨脹。然而，事實證明，他們開發(fā)的大多數(shù)解決方法要么完全無效，要么是輕度有效，因此只能部分防止SEI損壞。

很長一段時間以來，LIB研究界一直在試圖設(shè)計出讓Si這樣的高容量陽極發(fā)揮用途的技術(shù)，馬里蘭大學（UMD）化學和生物分子工程系教授ChunshengWang說，他也是UMD極限電池研究中心主任。這些研究人員大多是通過引入昂貴的納米制造工藝，在Si材料層面進行研究。我們試圖通過設(shè)計高容量陽極的電解液和相應(yīng)的SEI來解決這個問題，但我們嘗試了不同的方法。

Chen、Borodin、Wang和他們的同事們設(shè)計了一種電解液，可以提高微尺寸硅陽極在LIB中的性能，防止其外部保護層受損。和之前提出的解決方法相比，他們的方法大大減少了電解液的降解，從而使電池在失去容量之前的循環(huán)時間大大延長。

研究人員研究的最終目標是確定一種通用的、即插即用的解決方法，以促進鋰基電池高容量陽極的開發(fā)。為了實現(xiàn)這一目標，他們使用最先進的鹽LiPF6和乙醚溶劑的混合物設(shè)計了電解液，形成了非常堅固的富含LiF的SEI保護層。

特殊的溶劑化結(jié)構(gòu)（鹽和溶劑之間的相互用途）以及鹽和溶劑之間的還原傾向之間的巨大差距促進了在Si上形成獨特的富含LiF的SEI，這對循環(huán)高容量Si陽極的電池超級有益。Oleg解釋說。我們設(shè)計的電解液為目前的LIB技術(shù)供應(yīng)了一種無需昂貴的加工工藝就能實現(xiàn)的即插即用的解決方法，同時保持了前所未有的高循環(huán)穩(wěn)定性。

Chen、Borodin、Wang和他們的同事最近的研究證明，在含有硅陽極的LIB中實現(xiàn)良好的循環(huán)和高效率實際上是可能的，只需更換電池內(nèi)部的電解液就可以實現(xiàn)，這在以前被認為是不切實際或完全不可行的。他們的電解液設(shè)計背后的原理理論上也可以應(yīng)用于所有的高容量合金陽極。在未來，這種設(shè)計可以創(chuàng)造出性能更好的鋰基電池，其中含有石墨以外的其他材料的陽極。

我們的研究結(jié)果為電解液設(shè)計指出了一個新的方向，可以讓全球的研究團隊對高容量負極材料在LIB中的應(yīng)用充滿信心。Wang說。我們下一步將是改善電解質(zhì)的電壓范圍，并嘗試將該技術(shù)授權(quán)給電池制造商。

論文標題為《ElectrolytedesignforLiF-richsolid–electrolyteinterfacestoenablehigh-performancemicrosizedalloyanodesforbatteries》。