日本科学家揭示聚合物涂层如何稳定锂离子电池硅阳极的容量

虽然硅阳极可以大大提高锂离子电池的容量，但随着使用，其性能会迅速下降。聚合物涂层可以帮助解决这一问题，但很少有研究探讨其内在机制。在最近的一项研究中，日本高级科学技术研究所的科学家们研究了聚（硼硅氧烷）涂层如何极大地稳定硅阳极的容量，从而为电动汽车和可再生能源收集用更好、更耐用的锂离子电池铺平了道路。

锂离子电池（LIB）自提出以来，一直在不断改进和调整，使其能够适用于从移动设备、电动汽车到可再生能源收割机的存储单元等各种不同的应用。在大多数更大规模的应用中（如后两种），LIB研究的重点放在增加容量和电压限制上，而不增加它们的总体尺寸。当然，要做到这一点，电池的部件和材料必须打开。

许多研究人员把赌注押在使用硅阳极而不是传统的石墨阳极上。正极是电池的一部分，当电池充电时，锂离子被储存在那里，然后在使用电池充电时，锂离子通过一种叫做电解质的介质流到另一端的负极。尽管硅无疑是一种很有前途的阳极材料，其容量增加了近10倍，但在硅阳极商业化之前，它带来了一系列必须克服的挑战。

在最近发表在ACS应用能源材料上的一项研究中，来自日本高级科学技术研究所（JAIST）的一组科学家使用一种很有前途的聚合物涂层：聚（硼硅氧烷）（PBS）来解决硅阳极的问题。这项研究是由松下幸男（NoriyoshiMatsumi）教授领导的，当时正在JAIST完成博士课程的SaiGourangPatnaik博士和TejkiranPindiJayakumar博士也参与了这项研究。

由于其自愈性，PBS涂层在容量方面比裸阳极或涂有PVDF（一种商业上用于锂离子电池的聚合物）的阳极提供了更稳定的性能。

聚合物涂层可以解决困扰硅阳极的一个最严重的缺点：形成过大的固体电解质界面（SEI）。电解液和阳极之间自发形成的SEI实际上对电池的长期性能至关重要。然而，像硅这样的材料在使用过程中往往会大大膨胀，从而导致连续的SEI形成和可用电解液的耗尽。不用说，这会阻碍电池的性能，并随着时间的推移导致容量大幅下降。

这就是聚合物涂层发挥作用的地方，它们可以防止在硅上形成过多的SEI，并形成一种人工的、稳定的SEI（见图1）。尽管研究人员已经注意到了PBS作为硅阳极涂层的潜力，但之前的研究并没有对其作用机制提供明确的解释，正如Matsumi教授解释的那样，“很少有关于明确定义的PBS基聚合物的报告为其应用及其效果提供了机制起源。因此，我们想评估并阐明它们对硅阳极的贡献，作为一种自我修复的人工界面，也可以防止有害的体积膨胀。”

研究小组从稳定性、容量和界面特性方面比较了有和没有聚合物涂层的硅阳极的短期和长期性能。他们通过一系列电化学测量和理论计算来实现这一点，这使他们了解了PBS如何帮助稳定硅阳极的容量。

与裸露的硅阳极和涂有聚偏氟乙烯（LIBs中的一种商用涂层）的阳极相比，PBS的自愈性及其对锂离子的可逆调节显著提高了稳定性。这部分是由于PBS能够填充SEI在运行期间形成的任何裂缝。如图2所示，与其他两个阳极不同，PBS涂层硅阳极的容量在300多个循环中几乎保持不变。

通过解决与硅阳极相关的主要问题，本研究为新一代具有更高容量和耐用性的锂离子电池铺平了道路。Matsumi教授对研究结果表示满意，“大容量锂离子电池的广泛应用将使电动汽车行驶距离更长，无人机体积更大，可再生能源的储存效率更高。”他还补充说，在十年内，我们甚至可能看到锂离子电池被用作火车等大型车辆的二次能源，船只和飞机。希望进一步的研究能使我们达到目的！