工程師們發(fā)明了一種將兩個前景樂觀的電池子分支領(lǐng)域結(jié)合在一起的新型電池，即集固態(tài)電解質(zhì)和全硅負(fù)極為一體的純硅全固態(tài)電池。根據(jù)初步測試結(jié)果，這種新型電池具有安全性能高、續(xù)航能力強(qiáng)、高能量密度的特性，未來可廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)存儲和電動汽車等領(lǐng)域。
此項電池技術(shù)發(fā)表于2021年9月24日出版的《科學(xué)》期刊，該研究由加州大學(xué)圣地亞哥分校納米技術(shù)工程師們主要負(fù)責(zé)， LG新能源（ LG Energy Solution ）研究人員參與其中。
眾所周知，硅負(fù)極具有高能量密度，比目前廣泛應(yīng)用于商業(yè)鋰離子電池的石墨負(fù)極高出十倍。然而，硅負(fù)極在電池充電和放電過程中體積膨脹收縮、與液體電解質(zhì)接觸后性能下降的問題同樣備受詬病。這些問題導(dǎo)致具備能量密度優(yōu)勢的全硅負(fù)極科研成果轉(zhuǎn)化之路困難重重?？偛课挥诩~約的《科學(xué)》雜志讓公眾了解到全硅負(fù)極的美好前景，而這要?dú)w功于正確電解質(zhì)的使用。
下一代高能量密度全固態(tài)電池一直依賴于金屬鋰作為負(fù)極，但這會帶來電池充電率和充電溫度條件（通常需要60攝氏度以上）的限制。全硅負(fù)極克服了所有這些問題，在保證高能量密度不受影響的前提下，提高了室溫或低于室溫環(huán)境中的充電速度。
研究團(tuán)隊成功證明，實驗室用完整電池單體能夠完成500次充放電循環(huán)，室溫條件下容量保持率達(dá)到80%，這在硅負(fù)極和全固態(tài)電池領(lǐng)域可謂進(jìn)步喜人。
硅負(fù)極替代石墨負(fù)極
當(dāng)然，硅負(fù)極并非新生概念。過去幾十年，科學(xué)家們和電池生產(chǎn)商將硅視作一種高能量密度材料，可以與鋰離子電池中的傳統(tǒng)石墨負(fù)極進(jìn)行結(jié)合，甚至取而代之。理論上，硅的能量密度比石墨高出近10倍。實際應(yīng)用中，高能量密度硅負(fù)極鋰離子電池卻往往會在性能上打折扣：尤其在保持電池性能的前提下電池的充放電次數(shù)差強(qiáng)人意。
大部分問題是在硅負(fù)極和液體電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的過程中產(chǎn)生。當(dāng)硅離子在充放電過程中大量增加時，情況更為復(fù)雜，隨著時間推移最終導(dǎo)致嚴(yán)重容量損耗。
加州大學(xué)圣地亞哥分校材料發(fā)現(xiàn)與設(shè)計研究所負(fù)責(zé)人，納米工程教授孟穎（Shirley Meng）是本篇論文的通訊作者，她表示：“作為電池研究人員，解決系統(tǒng)根本問題至關(guān)重要。就硅負(fù)極而言，我們知道關(guān)鍵問題在于液體電解質(zhì)界面的不穩(wěn)定。我們需要一種全新的方法。”
加州大學(xué)圣地亞哥分校領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊的確另辟蹊徑：他們?nèi)コ巳柝?fù)極中的碳和粘結(jié)劑，并使用比常用的納米硅更加原生態(tài)、成本更低的微硅。
全固態(tài)電池解決方案
除了去除負(fù)極中所有的碳和粘結(jié)劑以外，團(tuán)隊也使用以硫化物為基礎(chǔ)的固體電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)。試驗結(jié)果表明，這種固體電解質(zhì)在純硅負(fù)極電池中極其穩(wěn)定。
孟教授表示：“盡管前途漫漫，這項新工作為解決硅負(fù)極問題提供了前景美好的解決方案。我認(rèn)為，該項目是對我們在加州大學(xué)圣地亞哥分校所做的電池研究方法的驗證。我們將最為嚴(yán)苛的理論和試驗工作與我們的創(chuàng)造力和創(chuàng)新性思維有機(jī)結(jié)合，也知道在解決根本性困難的過程中如何與行業(yè)合作伙伴打交道。”
過去將硅基負(fù)極轉(zhuǎn)化成商業(yè)成果的努力主要集中在硅－石墨復(fù)合材料，或者將納米結(jié)構(gòu)的粒子與聚合物粘結(jié)劑加以結(jié)合，兩種方式在穩(wěn)定性方面的表現(xiàn)依然無法達(dá)到理想水平。
通過用固體電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)，去除硅負(fù)極中的碳和粘結(jié)劑，研究者們克服了電池工作時負(fù)極完全浸泡在有機(jī)液體電解質(zhì)中所帶來的一系列挑戰(zhàn)。
同時，去除負(fù)極中的碳之后，團(tuán)隊大大減少了負(fù)極與固體電解質(zhì)的界面接觸，避免出現(xiàn)往往存在于液體電解質(zhì)中的持續(xù)能量損耗問題。
這兩方面的努力幫助研究者們充分利用了硅的成本低下、能源密度高和環(huán)境污染小等屬性。
影響&商業(yè)化衍生
論文第一作者達(dá)倫·譚（Darren H. S. Tan）表示：“固態(tài)硅方式打破了傳統(tǒng)電池的許多限制，讓我們看到很多激動人心的機(jī)會，能夠滿足市場對于能量密度高、成本低下，安全性好的電池需求，這對于電網(wǎng)能儲領(lǐng)域尤為重要?！?
以硫化物為基礎(chǔ)的固體電解質(zhì)往往穩(wěn)定性極差。然而，這是基于液體電解質(zhì)系統(tǒng)的傳統(tǒng)熱力學(xué)解釋，忽略了固體電解質(zhì)的動力學(xué)穩(wěn)定性。研究團(tuán)隊認(rèn)為，這種屬性打破直覺，也給我們帶來了機(jī)會，發(fā)明具有高度穩(wěn)定性的負(fù)極。
初創(chuàng)公司UNIGRID Battery首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人達(dá)倫·譚（Darren H. S. Tan）已經(jīng)為純硅全固態(tài)電池技術(shù)申請商業(yè)許可。
同時，加州大學(xué)圣地亞哥分校將會繼續(xù)開展基礎(chǔ)性工作，包括與LG新能源進(jìn)一步的研究合作。
LG新能源總裁兼首席采購官M(fèi)yung-hwan Kim表示：“LG新能源很高興看到與加州大學(xué)圣地亞哥分校有關(guān)電池技術(shù)的最新研究成果在《科學(xué)》期刊發(fā)表，這種認(rèn)可具有重大意義。有了這項新發(fā)現(xiàn)，LG新能源在實現(xiàn)全固態(tài)電池工藝的道路上又往前邁出了一步，進(jìn)而也將豐富我們的電池系列產(chǎn)品?！?
他補(bǔ)充說道：“作為領(lǐng)先的電池生產(chǎn)商，LG新能源將繼續(xù)利用前沿技術(shù)，引領(lǐng)下一代電池單體研究?！盠G 新能源表示，計劃進(jìn)一步擴(kuò)大與加州大學(xué)圣地亞哥分校在全固態(tài)電池方面的研究合作。
此項研究得到LG新能源支持電池相關(guān)研究的“開放創(chuàng)新”項目（Open Innovation）的資助。LG新能源致力于與全球各地的研究者們保持合作，為共同開發(fā)相關(guān)技術(shù)作出努力。
