通过硅阳极和聚合物涂层在锂离子电池中包装更多果汁

尽管硅阳极可以大大提高锂离子电池的容量，但其使用性能会迅速下降。聚合物涂料可以帮助解决这一问题，但是很少有研究探索其潜在机理。在最近的一项研究中，科学技术大学的科学家研究了聚(硼硅氧烷)涂层如何极大地稳定硅阳极的容量，从而为电动汽车和可再生能源的更好，更耐用的锂离子电池铺平了道路。

自从概念诞生以来，锂离子电池(LIB)一直在不断改进和适应，因此它们可以适用于从移动设备和电动汽车到可再生能源收集器的存储单元等极为不同的应用。在大多数大型应用中(例如后两种)，LIB研究的重点放在增加其容量和电压极限而不增加其整体尺寸上。当然，要想做到这一点，必须更换电池的组件和材料。

许多研究人员将赌注押在了使用硅阳极而不是传统的石墨阳极上。该阳极是其中当所述电池被充电的锂离子被存储在电池中，其然后通过介质称为电解质流向阴极上，另一端被用于电池的充电时的一部分。尽管硅无疑是一种有前途的阳极材料，可将LIB的容量提高近十倍，但它带来了一系列挑战，在将硅阳极商业化之前必须克服这些挑战。

在ACS Applied Energy Materials上发表的一项最新研究中，来自科学技术研究院(JAIST)的一组科学家使用一种有前途的聚合物涂层：聚(硼硅氧烷)(PBS)解决了硅阳极问题。这项研究是由松井纪良教授领导的，还包括当时正在JAIST完成博士学位课程的Sai Gourang Patnaik博士和Tejkiran Pindi Jayakumar博士。

凭借其自愈特性，与裸露阳极或涂有PVDF(一种商业上用于锂离子电池的聚合物)相比，PBS涂层在容量方面提供了更加稳定的性能。图片来源：JAIST的松井纪好

聚合物涂层可以解决困扰硅阳极的最严重缺陷之一：形成过大的固体电解质中间相(SEI)。实际上，电解质和阳极之间SEI的自发形成对于电池的长期性能至关重要。然而，诸如硅之类的材料会随着使用而大量膨胀，这导致连续的SEI形成和可用电解质的消耗。不用说，这会阻碍电池的性能，并导致容量随时间大幅下降。

这是聚合物涂料发挥作用的地方。它们可以防止在硅上形成过多的SEI，并形成人为且稳定的SEI(见图1)。尽管研究人员已经指出PBS可用作硅阳极涂层的潜力，但如Matsumi教授所解释的那样，以前的研究并未对起作用的机理提供清晰的解释，“关于基于PBS的明确聚合物的报道很少为它们的应用和效果提供了机械依据。因此，我们希望评估并阐明它们对硅阳极的作用，作为一种自修复的人造界面，还可以防止有害的体积膨胀。”

该团队从稳定性，容量和界面特性方面比较了有和没有聚合物涂层的硅阳极的短期和长期性能。他们通过一系列的电化学测量和理论计算来做到这一点，这使他们了解了PBS如何帮助稳定硅阳极的容量。

与裸露的硅阳极和涂有聚偏二氟乙烯(在LIB中使用的商用涂层)的阳极相比，PBS的自愈特性及其可逆的锂离子容纳性显着提高了稳定性。这部分是由于PBS能够填充操作过程中SEI中形成的任何裂纹的能力。如图2所示，与其他两个阳极不同，涂有PBS的硅阳极的容量在300多个循环中几乎保持不变。

通过解决与硅阳极相关的主要问题，本研究为具有更高容量和耐久性的新一代LIB铺平了道路。Matsumi教授对结果感到满意，他说：“大容量LIB的广泛采用将使电动汽车可以走更远的距离，无人机变得更大，可再生能源的存储效率更高。” 他还补充说，十年之内，我们甚至可能会将LIB用作火车，轮船和飞机等大型车辆中的二次能源。让我们希望进一步的研究能使我们成功!

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