科学家找到电池能量损耗"天敌",容量是传统石墨负极的 2.6 倍

当电池充满电时，电子设备通常会显示其电量为100%。然而，由于在电池生产的稳定（形成）阶段的初始充电期间发生锂离子的永久损失，该值仅代表可以存储在电池中的理论能量密度的70-90%。通过防止锂离子的这种初始损失，可以大幅增加电动汽车(EV)的里程和智能手机的使用时间。

为了解决这个问题，由储能研究中心MinahLee博士和能源材料研究中心JihyunHong博士领导的韩国科学技术研究院(KIST)联合研究小组，和氢燃料电池研究中心的HyangsooJeong博士开发了一种电极预处理解决方案，能够最大限度地减少石墨-氧化硅（SiOx，0.5≤x≤1.5）复合阳极中的这种初始锂离子损失。浸入溶液后，由50%SiOx组成的负极表现出可忽略不计的锂损失，使全电池表现出接近理想的能量密度。

虽然大多数商用锂电池都具有石墨负极，但SiOx因其高容量（比石墨大5到10倍）而作为下一代负极材料备受关注。然而，SiOx也不可逆地消耗三倍于石墨的活性锂。因此，由石墨和SiOx的混合物组成的复合电极现在作为实用的下一代阳极的替代品获得了认可。然而，虽然在较高的SiOx比率下石墨-SiOx复合电极的容量相应增加，但初始锂的损失也增加。因此，SiOx的比率石墨-SiOx复合电极中的含量限制为15%，因为将比例增加到50%将导致初始锂损失40%。

为了同时实现高容量和高初始效率，科学家们提出了各种预锂化方法，包括将额外的锂预掺杂到阳极中。KIST的MinahLee博士的研究团队开发了一种工艺，其中将电极浸入独特的溶液中，以减少SiOx电极对锂的消耗。该团队随后将该工艺应用于具有显着商业化潜力的石墨-SiOx复合材料。

研究小组发现，由于石墨具有多功能的嵌入能力，先前开发的预处理溶液会导致溶剂分子与锂离子意外插入石墨。大溶剂分子的这种嵌入导致石墨-SiOx复合电极的结构破坏。为了防止电极失效，研究人员开发了一种使用弱溶剂化溶剂的新溶液，以减少溶剂与锂离子之间的相互作用。该解决方案能够选择性地将锂离子插入活性材料中，确保向石墨-SiOx复合电极稳定供应额外的锂。

将石墨-SiOx电极浸入研究团队开发的溶液中约1分钟后，即使在50%的SiOx比例下，也完全防止了最初的锂消耗。因此，该电极显示出接近100%的高初始效率，表明初始充电中锂损失可以忽略不计（≤1%）。通过此过程开发的电极的容量是传统石墨负极的2.6倍，同时在250次充电/放电循环后仍保持初始容量的87.3%。

KIST的MinahLee博士说，作为这项研究的结果，我们应该能够将石墨-SiOx复合阳极中的SiOx含量增加到50%以上，而不是传统材料允许的15%比例，使生产更大容量的锂离子电池成为可能，并提高未来电动汽车的行驶里程。KIST的联合研究员JihyunHong博士也表示，该技术安全且适合量产，因此很有可能实现商业化。