新型电解质改善了下一代锂离子电池的循环寿命

充电会导致双电荷或三电荷金属阳离子（例如Mg2 +（橙色球））以及单电荷的锂离子（绿色球）从电解质共同插入到硅（蓝色球）阳极材料中。此过程可稳定阳极，从而使锂离子电池能够长期循环。

锂离子电池无处不在。由于其多功能性，该电池可量身定制，以为手机，笔记本电脑，电动工具或电动汽车供电。现在，它是每年价值数十亿美元的企业的源泉，并且每年都在不断增长。

美国能源部（DOE）阿尔贡国家实验室的研究人员已经开发出一种新的电解质混合物和一种简单的添加剂，可以在下一代锂离子电池中占有一席之地。

“基于这些测试结果，我们有充分的理由相信，如果硅阳极替代石墨或以超过百分之几的浓度构成阳极，那么本发明将成为其中的一部分，并且可能会产生深远的影响。” —巴里斯Key，Argonne化学家

几十年来，科学家们一直在积极地寻找可以生产新一代锂离子电池的新型电极材料和电解质，这些锂离子电池可以提供更大的能量存储，并且使用寿命更长，成本更低，更安全。新一代将可能使电动汽车更加普及，并通过更便宜，更可靠的能源存储来加速电网向可再生能源的扩展。

对于开发高级锂离子电池的科学家而言，硅阳极已成为替代当前石墨阳极的主要候选材料。硅具有比石墨明显的理论储能能力优势，能够存储的锂几乎是石墨的十倍。商业上提高硅的吸引力在于其低成本。它是地壳中含量第二高的材料，其在计算和电信硬件中的普及意味着存在大量的处理技术。

“但是仍然存在绊脚石，”阿贡大学化学科学与工程（CSE）部门高级化学师杰克·沃伊（Jack Vaughey）指出。“在循环过程中，锂离子电池中的硅基阳极与电解质的反应性非常强，该过程会随着时间的流逝而使电池退化，从而缩短循环寿命。”

锂离子电池电解质目前包含溶剂混合物，溶解的锂盐和至少一种（通常超过三种）有机添加剂。阿尔贡（Argonne）的科学家已经开发出一种独特的电解质添加剂策略-少量的第二种盐，它包含几种双电荷或三电荷金属阳离子（Mg2 +，Ca2 +，Zn2 +或Al3 +）中的任何一种。这些增强的电解质混合物，统称为“ MESA”（代表硅阳极的混合盐电解质），可使硅阳极具有更高的表面稳定性和整体稳定性，从而改善了长期循环和压延寿命。

“我们已经对用标准的商业相关电极制造的全电池对MESA配方进行了彻底的测试，” CSE剖析师的化学家Baris Key说。“新化学方法简单，可扩展，并且与现有电池技术完全兼容。”

Vaughey补充说：“在这个项目中，我们从Argonne的细胞分析，建模和原型（CAMP）设备中受益匪浅。”“正是在这里我们测试了我们的MESA配方。”

阿贡大学的研究人员还研究了含MESA的电解质的工作原理。在充电期间，电解质溶液中的金属阳离子添加物会与锂离子一起迁移到硅基阳极中，从而形成比锂硅稳定的锂金属硅相。这种新的电池化学性质极大地减少了硅阳极和电解质之间的有害副反应，而传统的电解质困扰着电池。在电池中测试的四种金属盐中，添加的带有镁（Mg2 +）或钙（Ca2 +）阳离子的电解质盐被证明在数百次充放电循环中效果最好。用这些电池获得的能量密度超过具有石墨化学性质的可比电池的能量密度高达50％。

Key说：“基于这些测试结果，我们有充分的理由相信，如果硅阳极替代石墨或以超过百分之几的浓度构成阳极，那么本发明将成为其中的一部分，并且可能会取得长足的发展影响。”

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该研究由汽车技术办公室能源效率和可再生能源办公室资助。

参考：“使用混合盐电解质通过锂锰硅三元（M = Mg，Zn，Al，Ca）的原位形成来稳定锂离子电池的硅阳极”，作者：韩炳红，陈辽，Fulya Dogan，StephenE。 Trask，Saul H.Lapidus，John T.Vaughey和Baris Key，2019年7月18日，ACS Applied Materials＆Interfaces.DOI：
10.1021 / acsami.9b07270

在进行这项研究时，科学家们利用了位于阿贡（Argonne）的两个美国能源部（DOE）科学办公室用户设施：高级光子源（APS）和纳米级材料中心（CNM）。他们在APS的光束线11-BM上进行了高能X射线衍射测量，并在CNM上进行了扫描电子显微镜和透射电子显微镜。

关于阿贡纳米材料中
心纳米材料中心是五个DOE纳米科学研究中心之一，是DOE科学办公室支持的纳米级跨学科研究的主要国家用户设施。NSRC共同构成了一套补充设施，为研究人员提供了制造，加工，表征和建模纳米级材料的最新能力，并构成了国家纳米技术计划的最大基础设施投资。NSRC位于DOE的Argonne，Brookhaven，Lawrence Berkeley，Oak Ridge，Sandia和Los Alamos国家实验室。

关于高级光子源
这项研究使用的是高级光子源的资源，高级光子源是由美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）根据合同号DE-AC02-06CH11357为DOE科学办公室运营的美国用户办公室。

关于阿贡国家实验室
阿贡国家实验室寻求解决紧迫的国家科学技术问题的解决方案。阿尔贡（Argonne）是美国第一个国家实验室，几乎在所有科学学科中都进行领先的基础和应用科学研究。阿尔贡大学的研究人员与数百家公司，大学以及联邦，州和市级机构的研究人员紧密合作，以帮助他们解决特定问题，提高美国的科学领导地位并为国家创造更美好的未来做准备。Argonne的员工来自60多个国家，由美国能源部科学办公室的UChicago Argonne，LLC管理。

关于美国能源部科学办公
室美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并致力于解决当今时代最紧迫的挑战。