在新一代电池中，“少”可能“多”

莱斯实验室用硅阳极和保护阴极的氧化铝涂层来测试电池

开发更好的可充电电池的过程可能是多云的，但有氧化铝衬里。

莱斯大学(Rice University)布朗工程学院(Brown School of Engineering)的工程师们在普通的阴极上涂了一层薄薄的金属氧化物，揭示了一些新现象，这些新现象可能会使电池更适合电动汽车使用，并能更有效地进行离网储能。

从左至右，莱斯大学的研究生Quan Anh Nguyen、博士后Anulekha Haridas和研究生Botao Farren Song用高容量的硅阳极和涂有保护氧化铝的高压镍锰钴氧化物阴极构建全电池。杰夫·菲特洛拍摄

美国化学学会(American Chemical Society)的ACS应用能源材料(ACS Applied Energy Materials)上发表的这项研究，描述了一种此前不为人知的机制，即锂离子被困在电池中，从而限制了它以全功率充电和放电的次数。

但在某些情况下，这一特性并不会降低人们对这种电池的期望。

莱斯实验室的化学和生物分子工程师Sibani Lisa Biswal在电池中找到了一个最佳的点，通过不最大化他们的存储容量，可以为需要的应用提供稳定的循环。

莱斯大学的工程师们制造了带有硅阳极和氧化铝层的锂离子电池，以保护阴极不退化。图片由Biswal实验室提供

比斯瓦尔说，传统的锂离子电池使用的是石墨阳极，其容量不足每克400毫安时(毫安/克)，而硅阳极的容量可能是石墨阳极的10倍。但这也有不利的一面:当硅与锂合金结合时，硅会膨胀，从而对阳极产生压力。通过使硅多孔性，并将其容量限制在1000毫安时/克，该团队的测试电池提供了稳定的循环和仍然优秀的容量。

Biswal说:“最大的产能会给材料带来很大的压力，所以这是一个在没有同等压力的情况下获得产能的策略。”“每克1000毫安时仍然是一个很大的飞跃。”

由博士后Anulekha Haridas领导的团队测试了将多孔、大容量硅阳极(代替石墨)与高压镍锰钴氧化物(NMC)阴极配对的概念。充满电池的锂离子电池在1000毫安时/克的稳定循环能力可以持续数百次。

一些阴极有3纳米氧化铝层(通过原子层沉积应用)，而另一些则没有。在氢氟酸存在的情况下，那些涂有氧化铝涂层的材料可以保护阴极不被分解，氢氟酸是在微量水侵入液体电解质时形成的。测试表明，氧化铝还加快了电池的充电速度，减少了电池的充放电次数。

莱斯大学的研究人员从左至右分别是
2, Sibani Lisa Biswal, Botao Farren Song, Quan Anh Nguyen和Anulekha Haridas
2。通过限制它们的能量密度，电池有望在运输和电网存储使用中具有良好的稳定性。杰夫·菲特洛拍摄

Haridas说，由于锂通过氧化铝的快速运输，这里似乎有大量的陷阱。研究人员已经知道硅阳极捕捉锂的可能方式，使其不能用于电力设备，但她说，这是氧化铝本身吸收锂直到饱和的第一个报告。她说，在这一点上，这一层就变成了快速进出阴极的催化剂。

“这种锂捕获机制有效地保护了阴极，帮助保持稳定的容量和能量密度，为整个电池，”Haridas说。

论文的合著者包括莱斯大学的研究生全安阮(Quan Anh Nguyen)和宋博涛(Botao Farren Song)，以及福特汽车公司(Ford Motor Co.)的研发工程师雷切尔·布拉泽(Rachel Blaser)。

福特大学的研究项目支持了这项研究。