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、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》期刊，該研究由加州大學圣地亞哥分校納米技術(shù)工程師們主要負責， LG新能源（ LG Energy Solution ）研究人員參與其中。
眾所周知，硅負極具有高能量密度，比目前廣泛應(yīng)用于商業(yè)鋰離子電池的石墨負極高出十倍。然而，硅負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。這些問題導致具備能量密度優(yōu)勢的全硅負極科研成果轉(zhuǎn)化之路困難重重?？偛课挥诩~約的《科學》雜志讓公眾了解到全硅負極的美好前景，而這要歸功于正確電解質(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到80%，這在硅負極和全固態(tài)電池領(lǐng)域可謂進步喜人。
硅負極替代石墨負極
當然，硅負極并非新生概念。過去幾十年，科學家們和電池生產(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)石墨負極進行結(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)差強人意。
大部分問題是在硅負極和液體電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的過程中產(chǎn)生。當硅離子在充放電過程中大量增加時，情況更為復雜，隨著時間推移最終導致嚴重容量損耗。
加州大學圣地亞哥分校材料發(fā)現(xiàn)與設(shè)計研究所負責人，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?！?
加州大學圣地亞哥分校領(lǐng)導的團隊的確另辟蹊徑：他們?nèi)コ巳柝摌O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
除了去除負極中所有的碳和粘結(jié)劑以外，團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極問題提供了前景美好的解決方案。我認為，該項目是對我們在加州大學圣地亞哥分校所做的電池研究方法的驗證。我們將最為嚴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?！?
過去將硅基負極轉(zhuǎn)化成商業(yè)成果的努力主要集中在硅－石墨復合材料，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)，去除硅負極中的碳和粘結(jié)劑，研究者們克服了電池工作時負極完全浸泡在有機液體電解質(zhì)中所帶來的一系列挑戰(zhàn)。
同時，去除負極中的碳之后，團隊大大減少了負極與固體電解質(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)熱力學解釋，忽略了固體電解質(zhì)的動力學穩(wěn)定性。研究團隊認為，這種屬性打破直覺，也給我們帶來了機會，發(fā)明具有高度穩(wěn)定性的負極。
初創(chuàng)公司UNIGRID Battery首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人達倫·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新能源進一步的研究合作。
LG新能源總裁兼首席采購官Myung-hwan Kim表示：“LG新能源很高興看到與加州大學圣地亞哥分校有關(guān)電池技術(shù)的最新研究成果在《科學》期刊發(fā)表，這種認可具有重大意義。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，進而也將豐富我們的電池系列產(chǎn)品?！?
他補充說道：“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，計劃進一步擴大與加州大學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。
