硅阳极电池改变能源储存解决方案的潜力在解决气候目标和充分实现电动汽车的能力方面是至关重要的。然而，硅阳极中锂离子的持续损失是开发下一代锂离子电池的一个重大障碍。莱斯大学的工程师们在预锂化方面取得了进展，并解开了捕锂的机制。

莱斯大学乔治-R-布朗工程学院的科学家们已经开发出一种易于扩展的方法来优化预锂化，这是一个有助于减轻锂损失的过程，并通过用稳定的锂金属颗粒（SLMPs）涂抹硅阳极来改善电池的生命周期。

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Quan Nguyen（左）、Sibani Lisa Biswal和合作者开发了一种预lithiation技术，有助于提高带有硅阳极的锂离子电池的性能。

莱斯大学化学和生物分子工程师Sibani Lisa Biswal的实验室发现，用颗粒和表面活性剂的混合物喷涂阳极可使电池寿命提高22%至44%。含有更多涂层的电池单元最初取得了更高的稳定性和循环寿命。然而，也有一个缺点： 当满负荷循环时，更多的颗粒涂层带来了更多的锂捕获，导致电池在随后的循环中更快地老化。

这项研究发表在ACS应用能源材料上。

在锂离子电池中用硅取代石墨将大大改善其能量密度--相对于重量和尺寸而言的能量储存量--因为由碳组成的石墨可以比硅容纳更少的锂离子。每一个锂离子需要六个碳原子，而仅仅一个硅原子就可以与多达四个锂离子结合。

Quan Nguyen是化学和生物分子工程博士生校友，也是这项研究的主要作者。

"硅是那些有能力真正提高锂离子电池阳极方面的能量密度的材料之一，"Biswal说。"这就是为什么目前在电池科学中推动用硅的阳极取代石墨的原因。"

然而，硅有其他的特性，带来了挑战。Biswal说："硅的一个主要问题是，它不断地形成我们称之为固体电解质间相或SEI层，实际上消耗锂。"

当电池单元中的电解质与电子和锂离子发生反应时，该层就会形成，从而在阳极上沉积出一个纳米级的盐层。一旦形成，该层将电解质与阳极绝缘，防止反应继续进行。然而，在随后的充电和放电循环中，SEI可能会断裂，而且随着它的改革，它将不可逆转地进一步消耗电池的锂储备。

Quan Nguyen（左）和Sibani Lisa Biswal

"硅阳极的体积会随着电池的循环而变化，这可能会破坏SEI或以其他方式使其不稳定，"化学和生物分子工程博士校友、该研究的主要作者Quan Nguyen说。"我们希望这层电池在以后的充电和放电循环中保持稳定。"由Biswal和她的团队开发的预lithiation方法提高了SEI层的稳定性，这意味着在它形成时耗损的锂离子更少。

"预lithiation是一种策略，旨在补偿通常发生在硅上的锂损失，"Biswal说。"你可以把它看作是给一个表面打底，就像你在刷墙的时候，你需要先涂上一层底漆，以确保你的油漆粘住。预升华使我们能够给阳极"打底"，这样电池就能有更稳定、更长的循环寿命。"

虽然这些颗粒和预升华并不是新的，但Biswal实验室能够以一种易于纳入现有电池制造工艺的方式改进这一过程。

Quan Nguyen拿着使用该研究中描述的预lithiation协议组装的电池之一

Biswal说："这个过程的一个方面绝对是新的，Quan开发的是使用表面活性剂来帮助分散颗粒。这在以前没有报道过，它使你能有一个均匀的分散。因此，与其让它们在电池内结块或堆积成不同的口袋，不如让它们均匀分布。"

Nguyen解释说，将颗粒与没有表面活性剂的溶剂混合在一起，不会产生均匀的涂层。此外，事实证明，与其他在阳极上应用的方法相比，喷镀法能更好地实现均匀分布。喷镀方法与大规模生产兼容。控制电池的循环容量对该过程至关重要。

如果不控制电池的循环容量，更多的颗粒将触发在论文中发现和描述的这种锂捕获机制。但是如果用均匀分布的涂层循环电池，那么锂捕获就不会发生。

"如果我们找到了通过优化循环策略和SLMP量来避免捕锂的方法，这将使我们能够更好地利用硅基阳极的更高能量密度。"