光州科学技术研究所科学家开发一种提高锂离子电池寿命的通用方法

电动汽车的出现催生了对高能量密度锂离子电池的需求。这导致了具有大电荷存储容量的阳极的发展。不幸的是，这种存储容量往往会在多次充电/放电循环中下降，从而缩短电池寿命。

电池续航时间短是由于循环过程中阳极的体积变化不可逆，导致电触点退化和结构塌陷。在充电过程中，锂离子从阴极移动并与阳极中的纳米颗粒结合。在放电过程中，锂离子移回阴极。随着时间的推移，阳极中的纳米颗粒在电极 - 电解质界面处开裂并聚集在一起。这会导致电气断开，从而减少阳极可以存储或运输的电荷量。

在2022年3月21日在线发表在《材料化学杂志A》上的一项研究中，韩国光州科学技术研究所(GIST)的研究人员开发了一种修改传统阳极以改善电池循环性能的新方法。“作为从事该领域的研究小组之一，我们希望开发一种电极工艺，能够根据电池行业的快速增长增加能量密度，”该研究的通讯作者之一Hyeong-Jin Kim教授说。

研究人员开发的方法加强了阳极，并通过将纳米颗粒封装在弹性网状结构中使其对体积变化更具弹性。

为了证明他们的方法，研究人员使用了一种传统的阳极，该阳极含有由聚合物(聚偏二氟乙烯)粘合剂固定在一起的硅纳米颗粒。为了适应腹板状结构，他们通过使用退火工艺加热阳极来去除粘合剂。然后用还原的氧化石墨烯(rGO)溶液填充纳米颗粒之间的间隙，其干涸形成一个将硅纳米颗粒保持在一起并防止它们开裂的网。此外，该网为电子提供了导电途径，允许纳米颗粒与锂结合。

研究人员使用一种称为“旋涂”的技术在阳极表面涂覆rGO。rGO涂层用作沉积由氧化锌与镁和镓金属氧化物(MGZO)组成的保护层的种子层。该MGZO层为阳极提供了结构稳定性。

经过测试，改进的阳极即使在几次充电/放电循环后仍能保留大部分电荷。“该结构保留了1566 mA h g的高存储容量-1 经过500次循环后，显示出91%的库伦效率，这与电池寿命有关。这可以为电动汽车铺平道路，使我们能够在一次性充电时行驶很长的距离，“Kim教授强调说。

虽然研究人员使用了硅阳极，但开发的方法适用于其他负极材料，如Sn，Sb，Al和Mg。此外，无论阳极是如何制造的，都可以对其进行修改，使其成为提高电池寿命的普遍适用方法。

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