美国阿贡实验室发明的新电解质阻止了锂电池性能的快速下降

锂离子电池用途广泛，目前其年交易量达数十亿美元，并且还在持续增长。美国能源部阿贡国家实验室的研究人员开发了一种新的电解质混合物和一种简单的添加剂，或许将在下一代锂离子电池中占有一席之地。阿贡实验室的Baris Key表示：根据测试结果，我们有充分的理由相信，如果硅负极能取代石墨负极，哪怕是一小部分，也会产生深远的影响，本发明就是其中的一部分。

几十年来，为了能制造出大容量、长寿命、成本低且更加安全的新一代锂离子电池，科学家们一直在积极寻找新的电极材料和电解质。凭借廉价且可靠的储能，新一代电池很可能使电动汽车更加普及，加快电网向可再生能源发展。对于研制高级锂离子电池的科学家来说，取代目前使用的石墨，硅是首选的负极材料。硅的理论储能容量相比石墨具有显著优势，几乎是石墨的十倍。低成本的硅更具商业吸引力。它是地壳中丰度位于第二的材料，在计算和通信硬件中占主导地位，这表明其加工技术可靠。但硅仍然存在问题，在循环过程中，锂离子电池中的硅负极易于与电解液发生反应，随着时间的推移，这一过程造成电池性能下降，导致循环寿命缩短。目前的锂离子电池电解质由混合溶剂、至少一种溶解性锂盐和通常是三种以上的有机添加剂构成。

阿贡实验室的科学家研究出独特的电解质添加剂策略——加入少量的第二种盐，这种盐含有二价或三价金属阳离子(Mg2+，Ca2+，Zn2+，Al3+)中的任何一种。这些增强型电解质混合物被称为 MESA(硅负极混合盐电解质)，可使硅负极内外整体稳定，并可长期循环，使用寿命得到改善。Baris Key表示，经过全流程电池制造，采用商业标准电极，MESA配方得到全方位检验。新的化学品性质简单，可放大生产，与现有的电池生产技术完全兼容。阿贡实验室的研究人员还研究了含有MESA的电解质工作原理。在充电过程中，电解质溶液中的金属阳离子与锂离子一起迁移到硅负极中，形成锂-金属-硅态，比锂-硅态更稳定。这种新电池的化学性质极大地降低了硅负极与电解质之间不利副反应的发生，而这一问题一直困扰着传统电解液电池。在电池上测试的4种金属盐中，添加了Mg2+或Ca2+的电解质被证明效果最佳，充放电超过数百次。这些电池的能量密度比相应的石墨负极电池高50%。

[靳爱民摘译自 ScienceDaily，2019-10-10]