一组研究人员表示，一种表征硅的结构和化学演化的新方法以及控制电池稳定性的薄层可能有助于解决阻止将硅用于高容量电池的问题。 研究的重点是阳极、负电极和电解质的界面，这使得电荷能够在阳极和另一个电极(阴极)之间移动。固体电解质中间相 (SEI) 层通常形成在固体电极和液体电解质之间的电极表面上，对于电池中的电化学反应以及控制电池的稳定性至关重要。使用硅作为阳极可以实现更好的可充电电池。
“在过去的 10 年里，硅作为可充电电池的高容量负极引起了很多关注，”工程科学与力学和生物工程教授张苏林说。“目前商业化的电池使用石墨作为负极材料，但硅的容量大约是石墨的10倍。因此，有数千万、数亿甚至数亿美元用于硅电池研究。”
对于希望通过电动汽车和强大的便携式电子设备为其基础设施电气化的社会来说，这是个好消息，但是，也存在挑战。电池在充放电过程中，硅的体积会膨胀和收缩，从而导致硅材料开裂，SEI会一次次破碎再生。这会导致失去电接触和容量下降，即电池存储的电荷量。
准确了解这个过程如何在结构和化学上展开对于解决问题至关重要。
“因为这一层的稳定性控制着电池的稳定性，你不希望它不受控制地增长，因为这一层的产生会消耗电解质材料和活性锂，”张说。“这可能会导致电解液变干和活性材料的损失，从而对电池性能产生不利影响。”
张和他的团队在《自然纳米技术》杂志上发表的一项重大挑战是能够观察、表征和理解这一过程。
“SEI 层对电池至关重要，”张说。“但它非常薄，任何光学显微镜都看不到，并且在电池循环过程中动态演变。它可以被用于非常纳米级、非常薄的材料的透射电子显微镜观察到。但对于 SEI，这一层非常柔软并且很容易被电子束破坏，因为您必须发送大量电子才能获得材料成分的高分辨率图像。”
Cryo-STEM 图像显示了硅和固体电解质中间相 (SEI) 层的结构和化学演变。在第 36 次循环到第 100 次循环后，硅纳米线膨胀并变得不规则，与 SEI 混合形成柔软的复合结构。图片来源：宾夕法尼亚州立大学
为了克服这个问题，研究人员使用了低温扫描透射电子显微镜(cryo-STEM)。他们在制备和使用低温 STEM 显微镜成像期间将循环电极材料保持在低温下，以最大限度地减少电子束对样品的损坏。此外，他们集成了用于 3D 成像的敏感元素断层扫描，以及旨在以较低电子剂量捕获图像的高级算法。这种技术实现了 SEI-硅相互作用的 3D 视图，在不同次数的电池循环后拍摄。
“我们方法的独特之处在于低温 STEM 成像和多物理过程建模，”张说。“我们可以在电池循环运行后可视化硅和 SEI 的演变;同时，我们可以使用计算模拟重述循环期间的整个微观结构演变过程。这就是这项研究的新颖之处。”
该团队的工作使人们更好地了解导致硅阳极中 SEI 层生长和不稳定的机制。
“因此，随着对 SEI 层生长机制的了解，这将使我们对如何提高硅负极或电池设计的性能有很多见解，”张说。“然后我们可以为下一代锂电池制造更坚固的硅阳极。”
他解释说，下一代锂电池将为行业和普通消费者带来多重好处。
“硅是非常丰富的，如果我们可以使用硅作为具有长循环寿命的阳极，我们将大大提高可充电电池的容量，”张说。“而且，由于硅资源丰富，这将降低电池的价格。”
凭借对硅负极电池在充电和放电过程中 SEI 层演变的批判性理解，张说下一步将利用这些知识来帮助设计一种不会因循环而损失容量的硅负极电池。
“随着对潜在机制的了解，下一步是产生一些科学假设，”张说。“然后我们将用硅阳极测试这个假设，以便我们可以减轻与硅体积变化相关的不利影响。通过控制目前不可控的因素，我们可以设计出性能更好的硅电极。”
与张一起，参与这项研究的宾夕法尼亚州立大学的研究人员包括工程科学与力学研究生 Tianwu Chen 和 Dingchuan Xue。其他研究人员包括来自太平洋西北实验室的杨贺、徐耀斌、王崇敏、贾海平、冉毅、苗松、李晓林和张继光;来自 Thermo Fisher Scientific、Lin Jiang、Arda Genc、Cedric Bouchet-Marquis、Lee Pullan 和 Ted Tessner;来自洛斯阿拉莫斯实验室，Jinkyoung Yoo。
能源部和科学基金会资助了这项研究。