1)全固态电池由阴极复合层、硫化物固体电解质层和无碳微硅阳极组成。2)充电前，离散的微米级硅颗粒组成能量密集的阳极。在电池充电过程中，正锂离子从阴极向阳极移动，形成稳定的2D界面。3)随着更多的锂离子进入阳极，它与微硅反应，形成相互连接的锂硅合金(锂硅)颗粒。反应继续在整个电极中传播。4)反应导致微硅颗粒膨胀和致密化，形成致密的锂硅合金电极。锂硅合金和固体电解质的机械性能对于保持沿着2D界面平面的完整性和接触具有关键作用。功劳:加州大学圣地亚哥分校的工程师创造了一种新型电池，将两个有前途的电池子领域编织成一个电池。该电池同时使用固态电解质和全硅阳极，使其成为硅全固态电池。最初几轮测试表明，这种新电池安全、持久、能量密度高。它有望在从电网存储到电动汽车的广泛应用。desc在2021年9月24日的《科学》杂志上描述了这种电池技术。加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师与LG能源解决方案的研究人员合作，领导了这项研究。
硅阳极以其能量密度而闻名，其能量密度是当今商用锂离子电池中最常用的石墨阳极的10倍。另一方面，硅阳极因其在电池充放电过程中的膨胀和收缩以及在液体电解质中的降解而臭名昭著。尽管能量密度惊人，但这些挑战使得商用锂离子电池无法使用全硅阳极。发表在《科学》杂志上的这项新工作为全硅阳极提供了一条充满希望的前进道路，这要归功于正确的电解质。
该论文的主要作者Darren H. S. Tan说:“通过这种电池配置，我们正在为使用硅等合金阳极的固态电池开辟一个新的领域。他最近在加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院完成了他的化学工程博士学位，并共同创建了一个获得该技术许可的s tartup UNIGRID Battery。
具有高能量密度的下一代固态电池一直依赖金属锂作为阳极。但这限制了电池充电速率，也限制了充电过程中对高温(通常为60摄氏度或更高)的需求。硅阳极克服了这些限制，允许在室温到低温下更快的充电速率，同时保持高能量密度。
该团队展示了一种实验室规模的全电池，可在室温下提供500次充电和放电循环，80%的容量保持率，这代表了硅阳极和固态电池领域令人兴奋的进步。
硅作为阳极取代石墨
当然，硅阳极并不新鲜。几十年来，科学家和电池制造商一直将硅视为一种高能量密度材料，用于混合或完全替代锂离子电池中的传统石墨阳极。理论上，硅的储存容量大约是石墨的10倍。然而，在实践中，在阳极添加硅以增加能量密度的锂离子电池通常会遇到现实中的性能问题:特别是，电池在保持性能的同时可以充电和放电的次数不够高。
大部分问题是由硅阳极和与之配对的液体电解质之间的相互作用引起的。这种情况由于硅颗粒在充放电过程中的大体积膨胀而变得复杂。随着时间的推移，这将导致严重的容量损失。
“作为电池研究人员，解决系统中的根本问题至关重要。对于硅阳极，我们知道其中一个大问题是液体电解质界面的不稳定性，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Shirley Meng说，她是Science论文的对应作者，也是加州大学圣地亚哥分校材料发现和设计研究所所长。“我们需要一个完全不同的方法，”孟说。
事实上，加州大学圣地亚哥分校领导的团队采取了不同的方法:他们取消了全硅阳极的碳和粘合剂。此外，研究人员使用了微硅，这种硅比更常用的纳米硅加工更少，成本更低。
全固态解决方案
除了移除阳极上的所有碳和粘合剂，研究小组还移除了液体电解质。相反，他们使用了硫化物基固体电解质。他们的实验表明，这种固体电解质在全硅阳极电池中极其稳定。
“这项新工作为硅阳极问题提供了一个有希望的解决方案，尽管还有更多工作要做，”孟教授说，“我认为这个项目是对我们在加州大学圣地亚哥分校电池研究方法的验证。我们把最严谨的理论和实验工作与创造力和创新思维结合起来。我们还知道如何与行业合作伙伴互动，同时应对严峻的基本挑战。”
过去将硅合金阳极商业化的努力主要集中在硅-石墨复合材料上，或者将纳米结构颗粒与聚合物粘合剂相结合。但他们仍在与不稳定作斗争。
通过将液体电解质换成固体电解质，同时从硅阳极上去除碳和粘合剂，研究人员避免了一系列相关的挑战，这些挑战是在电池工作时阳极浸泡在有机液体电解质中时出现的。
与此同时，通过消除阳极中的碳，该团队显著减少了与固体电解质的界面接触(以及不必要的副反应)，避免了液体电解质通常会出现的连续容量损失。
这一分为两部分的举措使研究人员能够充分受益于硅的低成本、高能量和环保特性。
影响和副产品商业化
“固态硅方法克服了传统电池的许多限制。《科学》杂志论文的第一作者达伦·谭(Darren H. S. Tan)说:“这为我们提供了令人兴奋的机会，以满足市场对更高容量能源、更低成本和更安全电池的需求，尤其是在电网储能方面。
硫化物基固体电解质通常被认为是高度不稳定的。然而，这是基于液体电解质系统中使用的传统热力学解释，没有考虑到固体电解质优异的动力学稳定性。该团队看到了一个利用这种违反直觉的特性来制造高度稳定的阳极的机会。
谭是一家初创公司UNIGRID Battery的首席执行官和联合创始人，该公司已经为这些全硅固态电池授权了技术。
与此同时，相关的基础工作将在加州大学圣地亚哥分校继续进行，包括与LG能源解决方案的额外研究合作。
LG能源解决方案总裁兼首席采购官Myung-hwan Kim表示:“LG能源解决方案很高兴与加州大学圣地亚哥分校就电池技术进行的最新研究登上了《科学》杂志，这是一个有意义的认可。“有了最新的发现，LG能源解决方案更接近实现全固态电池技术，这将大大丰富我们的电池产品阵容。”
“作为领先的电池制造商，LGES将继续努力在领先的下一代电池研究中培养最先进的技术，”金补充说。LG能源解决方案表示，计划进一步扩大与加州大学圣地亚哥分校的固态电池研究合作。
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