在日常生活中，鋰離子電池已經(jīng)變得不可或缺，而鋰離子電池關(guān)鍵是在初始循環(huán)中形成鈍化層。據外媒報道，卡爾斯魯厄理工學(xué)院(Karlsruhe Institute of Technology，KIT)的研究人員通過(guò)仿真發(fā)現固體電解質(zhì)界面不是直接在電極上形成，而是在溶液中聚集形成。這一發(fā)現可優(yōu)化未來(lái)電池的性能和壽命，且相關(guān)研究已發(fā)表于期刊《Advanced Energy Materials》。
圖片來(lái)源：卡爾斯魯厄理工學(xué)院
從智能手機到電動(dòng)汽車(chē)，任何需要移動(dòng)能源的地方幾乎采用的都是鋰離子電池。鋰離子電池和其他液體電解質(zhì)電池實(shí)現可靠的重要因素是固體電解質(zhì)中間相(SEI)。該鈍化層在第一次施加電壓時(shí)形成。電解液在表面附近即時(shí)分解。到目前為止，尚不清楚電解質(zhì)中的顆粒如何在電極表面形成高達100納米厚的層，因為分解反應只能在距表面幾納米的距離內進(jìn)行。
陽(yáng)極表面的鈍化層對鋰離子電池的電化學(xué)容量和壽命至關(guān)重要，因為它在每個(gè)充電周期都承受著(zhù)很高的壓力。當SEI在此過(guò)程中破裂時(shí)，電解液會(huì )進(jìn)一步分解，電池容量會(huì )降低，這一過(guò)程也決定了電池的壽命。通過(guò)正確了解SEI的生長(cháng)和組成，可以控制電池的性能。但到目前為止，沒(méi)有任何實(shí)驗或計算機輔助方法足以破譯SEI在不同維度上發(fā)生的復雜增長(cháng)過(guò)程。
KIT納米技術(shù)研究所(INT)的研究人員現已設法通過(guò)多尺度方法表征SEI的形成。研究小組主任Wolfgang Wenzel教授表示：“這解決了關(guān)于所有液體電解質(zhì)電池的重大謎團，尤其是我們每天都使用的鋰離子電池。”
超過(guò)50,000次針對不同反應條件的仿真
為了檢查液態(tài)電解質(zhì)電池陽(yáng)極鈍化層的生長(cháng)和組成，INT的研究人員生成了代表不同反應條件的50,000多個(gè)仿真的集合。他們發(fā)現有機SEI的生長(cháng)遵循溶液介導的途徑。首先，直接在表面形成的SEI前體通過(guò)成核過(guò)程在遠離電極表面的地方連接。隨后核的快速生長(cháng)導致形成最終覆蓋電極表面的多孔層。
這些發(fā)現可提供解決方案，以解決SEI只能在電子可用的表面附近形成的問(wèn)題，且一旦該狹窄區域被覆蓋，SEI的生長(cháng)就會(huì )停止。INT博士后和該研究的作者之一Saibal Jana博士解釋說(shuō)：“我們能夠確定決定SEI厚度的關(guān)鍵反應參數。這將有助于未來(lái)開(kāi)發(fā)電解質(zhì)和合適的添加劑，以控制SEI的特性并優(yōu)化電池的性能和壽命。”
