在日常生活中，鋰離子電池已經(jīng)變得不可或缺，而鋰離子電池關(guān)鍵是在初始循環(huán)中形成鈍化層。據(jù)外媒報(bào)道，卡爾斯魯厄理工學(xué)院(Karlsruhe Institute of Technology，KIT)的研究人員通過仿真發(fā)現(xiàn)固體電解質(zhì)界面不是直接在電極上形成，而是在溶液中聚集形成。這一發(fā)現(xiàn)可優(yōu)化未來電池的性能和壽命，且相關(guān)研究已發(fā)表于期刊《Advanced Energy Materials》。

圖片來源：卡爾斯魯厄理工學(xué)院

從智能手機(jī)到電動(dòng)汽車，任何需要移動(dòng)能源的地方幾乎采用的都是鋰離子電池。鋰離子電池和其他液體電解質(zhì)電池實(shí)現(xiàn)可靠的重要因素是固體電解質(zhì)中間相(SEI)。該鈍化層在第一次施加電壓時(shí)形成。電解液在表面附近即時(shí)分解。到目前為止，尚不清楚電解質(zhì)中的顆粒如何在電極表面形成高達(dá)100納米厚的層，因?yàn)榉纸夥磻?yīng)只能在距表面幾納米的距離內(nèi)進(jìn)行。

陽極表面的鈍化層對鋰離子電池的電化學(xué)容量和壽命至關(guān)重要，因?yàn)樗诿總€(gè)充電周期都承受著很高的壓力。當(dāng)SEI在此過程中破裂時(shí)，電解液會進(jìn)一步分解，電池容量會降低，這一過程也決定了電池的壽命。通過正確了解SEI的生長和組成，可以控制電池的性能。但到目前為止，沒有任何實(shí)驗(yàn)或計(jì)算機(jī)輔助方法足以破譯SEI在不同維度上發(fā)生的復(fù)雜增長過程。

KIT納米技術(shù)研究所(INT)的研究人員現(xiàn)已設(shè)法通過多尺度方法表征SEI的形成。研究小組主任Wolfgang Wenzel教授表示：“這解決了關(guān)于所有液體電解質(zhì)電池的重大謎團(tuán)，尤其是我們每天都使用的鋰離子電池。”

超過50,000次針對不同反應(yīng)條件的仿真

為了檢查液態(tài)電解質(zhì)電池陽極鈍化層的生長和組成，INT的研究人員生成了代表不同反應(yīng)條件的50,000多個(gè)仿真的集合。他們發(fā)現(xiàn)有機(jī)SEI的生長遵循溶液介導(dǎo)的途徑。首先，直接在表面形成的SEI前體通過成核過程在遠(yuǎn)離電極表面的地方連接。隨后核的快速生長導(dǎo)致形成最終覆蓋電極表面的多孔層。

這些發(fā)現(xiàn)可提供解決方案，以解決SEI只能在電子可用的表面附近形成的問題，且一旦該狹窄區(qū)域被覆蓋，SEI的生長就會停止。INT博士后和該研究的作者之一Saibal Jana博士解釋說：“我們能夠確定決定SEI厚度的關(guān)鍵反應(yīng)參數(shù)。這將有助于未來開發(fā)電解質(zhì)和合適的添加劑，以控制SEI的特性并優(yōu)化電池的性能和壽命。”