鋰離子電池中的硅陽極為何會快速退化和失效？賓夕法尼亞州工程研究人員最近的一項研究提供了新的見解罚蛾±焓埃科研團隊使用先進的成像技術(shù)和高對比度的金來代替硅，顯示了陽極的碎片在電池循環(huán)中是如何被困在形成的化學層中，逐漸掏空陽極傅煎，直到它散架。

可充電的鋰離子電池無處不在羞烘，為智能手機伴乐、平板電腦划葫、筆記本電腦以及越來越多的電動汽車提供動力。因此擒抠，使這些電池更輕扶眼、更小、更便宜瑰跳，并且能夠更快地充電忍坯，同時又不影響性能，是一個重大的設(shè)計挑戰(zhàn)砰普。為了解決這個問題谁媳，科學家和工程師正在開發(fā)新的電極材料，可以在相同的空間內(nèi)儲存更多的鋰狗准。

其中一個有希望的解決方案是電池的負極（也稱陽極）使用鋁合金材料克锣。例如，一磅的硅產(chǎn)生的“合金型”陽極腔长，可以存儲大約 10 磅石墨相同的鋰娶耍，后者是目前在商業(yè)鋰離子電池中使用的“插層型”（intercalation-type）陽極。這意味著用前者取代后者有可能使陽極輕 10 倍饼酿，并大大縮小榕酒。

盡管有這樣的承諾，合金型陽極還沒有得到廣泛的采用故俐。這部分是因為當鋰離子被插入陽極內(nèi)的合金型硅顆粒時想鹰，這些顆粒開始膨脹并破裂，導致電池在僅僅幾個充電周期后就失效药版〖希縮小這些顆粒的尺寸，使其特征處于納米級--例如在納米多孔硅中--可以緩解這種退化槽片，但實際的作用機制還沒有被完全理解何缓。

現(xiàn)在，在發(fā)表于《ACS能源通訊》的一項研究中还栓，賓夕法尼亞州工程公司的研究人員揭示了當合金型陽極充電和放電時在納米尺度上發(fā)生的復雜電化學過程黑声。對目前阻礙這類有前途的儲能材料的降解行為的更好理解，可以為新的氓暖、更有效的電池設(shè)計打開大門失能。

在本研究之前，常規(guī)合金型陽極退化是如何發(fā)生的账姜，其基本模型顯示在本圖的上半部分饵臀。當帶有硅陽極的鋰離子電池充電時，硅顆粒（淺藍色）在吸收鋰離子時物理性地增長。在這些含鋰的硅顆粒（深藍色）周圍還形成了一層SEI鹉灼，即固體電解質(zhì)相（灰色）鞋伸，只是在電池放電時斷開。

這項研究為退化的原因提供了新的見解敏困，如圖中的底部所示曹撩。在充電過程中，硅片被困在 SEI 中改耽，當 SEI 在放電過程中與它分離時牡鸥，原來的顆粒就變成了多孔的。隨著這個過程的重復斑匪，粒子的收縮越來越大呐籽，直到它最終散開。資料來源：賓夕法尼亞大學工程學院

這項研究是由材料科學與工程（MSE）系的史蒂芬森學期助理教授 Eric Detsi蚀瘸，以及研究生研究助理 John Corsi 和 Samuel Welborn 進行的狡蝶。他們與 MSE 教授和物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究實驗室（LRSM）主任 Eric Stach 合作。

正如其名稱所示贮勃，鋰離子電池通過正極（也被稱為陰極）的鋰與陽極材料之間的電化學反應(yīng)來儲存能量贪惹。在充電過程中，當鋰離子實際進入陽極晶格中的空間時寂嘉，它們與該材料結(jié)合奏瞬，并在此過程中吸收電子；放電時泉孩，電池會移除鋰硼端，以便重復這一過程，但在合金型陽極的情況下寓搬，也會導致陽極材料增長并最終斷裂珍昨。

在這些過程中，有多個中間步驟盲妈；了解它們在致密硅和納米多孔硅之間的不同问锋，可能會對后者為什么能更好地抵御降解提供一些提示。然而棠蹬，對這些過程的密切調(diào)查一直受阻于在如此小的尺度上對相關(guān)硅結(jié)構(gòu)進行成像的挑戰(zhàn)描琉。

Detsi 說：“為了解決這一挑戰(zhàn)。我們使用透射電子顯微鏡和X射線散射技術(shù)的獨特組合來研究鋰離子電池陽極在充電和放電過程中的退化拉拨。我們使用金而不是硅臭脯，因為金在電子顯微鏡成像過程中產(chǎn)生比硅更好的對比度铜朗。這可以清楚地檢測到在充電和放電過程中在金電極上形成的固體電解質(zhì)相間表面涂層旦坷，稱為 SEI。金也比硅散射更多的X射線嗅桑，這使得它更容易探測在這些過程中陽極結(jié)構(gòu)的變化”庶鸡。