矽陽極電池改變能源儲存解決方案的潛力在解決氣候目標和充分實現電動汽車的能力方面是至關重要的。然而，矽陽極中鋰離子的持續損失是開發下一代鋰離子電池的一個重大障礙。萊斯大學的工程師們在預鋰化方面取得了進展，並解開了捕鋰的機制。

萊斯大學喬治-R-布朗工程學院的科學家們已經開發出一種易於擴展的方法來優化預鋰化，這是一個有助於減輕鋰損失的過程，並通過用穩定的鋰金屬顆粒（SLMPs）塗抹矽陽極來改善電池的生命週期。

Quan Nguyen（左）、Sibani Lisa Biswal和合作者開發了一種預lithiation技術，有助於提高帶有矽陽極的鋰離子電池的性能。

萊斯大學化學和生物分子工程師Sibani Lisa Biswal的實驗室發現，用顆粒和表面活性劑的混合物噴塗陽極可使電池壽命提高22%至44%。含有更多塗層的電池單元最初取得了更高的穩定性和循環壽命。然而，也有一個缺點： 當滿負荷循環時，更多的顆粒塗層帶來了更多的鋰捕獲，導致電池在隨後的循環中更快地老化。

這項研究發表在ACS應用能源材料上。

在鋰離子電池中用矽取代石墨將大大改善其能量密度–相對於重量和尺寸而言的能量儲存量–因為由碳組成的石墨可以比矽容納更少的鋰離子。每一個鋰離子需要六個碳原子，而僅僅一個矽原子就可以與多達四個鋰離子結合。

Quan Nguyen是化學和生物分子工程博士生校友，也是這項研究的主要作者。

“矽是那些有能力真正提高鋰離子電池陽極方面的能量密度的材料之一，”Biswal說。”這就是為什麼目前在電池科學中推動用矽的陽極取代石墨的原因。”

然而，矽有其他的特性，帶來了挑戰。Biswal說：”矽的一個主要問題是，它不斷地形成我們稱之為固體電解質間相或SEI層，實際上消耗鋰。”

當電池單元中的電解質與電子和鋰離子發生反應時，該層就會形成，從而在陽極上沉積出一個納米級的鹽層。一旦形成，該層將電解質與陽極絕緣，防止反應繼續進行。然而，在隨後的充電和放電循環中，SEI可能會斷裂，而且隨著它的改革，它將不可逆轉地進一步消耗電池的鋰儲備。

Quan Nguyen（左）和Sibani Lisa Biswal

“矽陽極的體積會隨著電池的循環而變化，這可能會破壞SEI或以其他方式使其不穩定，”化學和生物分子工程博士校友、該研究的主要作者Quan Nguyen說。”我們希望這層電池在以後的充電和放電循環中保持穩定。”由Biswal和她的團隊開發的預lithiation方法提高了SEI層的穩定性，這意味著在它形成時耗損的鋰離子更少。

“預lithiation是一種策略，旨在補償通常發生在矽上的鋰損失，”Biswal說。”你可以把它看作是給一個表面打底，就像你在刷牆的時候，你需要先塗上一層底漆，以確保你的油漆粘住。預昇華使我們能夠給陽極’打底’，這樣電池就能有更穩定、更長的循環壽命。”

雖然這些顆粒和預昇華並不是新的，但Biswal實驗室能夠以一種易於納入現有電池製造工藝的方式改進這一過程。

Quan Nguyen拿著使用該研究中描述的預lithiation協議組裝的電池之一

Biswal說：”這個過程的一個方面絕對是新的，Quan開發的是使用表面活性劑來幫助分散顆粒。這在以前沒有報導過，它使你能有一個均勻的分散。因此，與其讓它們在電池內結塊或堆積成不同的口袋，不如讓它們均勻分佈。”

Nguyen解釋說，將顆粒與沒有表面活性劑的溶劑混合在一起，不會產生均勻的塗層。此外，事實證明，與其他在陽極上應用的方法相比，噴鍍法能更好地實現均勻分佈。噴鍍方法與大規模生產兼容。控制電池的循環容量對該過程至關重要。

如果不控制電池的循環容量，更多的顆粒將觸發在論文中發現和描述的這種鋰捕獲機制。但是如果用均勻分佈的塗層循環電池，那麼鋰捕獲就不會發生。

“如果我們找到了通過優化循環策略和SLMP量來避免捕鋰的方法，這將使我們能夠更好地利用矽基陽極的更高能量密度。”