凝胶助力硅储存更多能量
韩国浦项科技大学（POSTECH）的研究人员开发出一种硅与凝胶电池系统。校方称，该系统在保持性能稳定的同时，能量密度提高了约40%。这项研究于2024年2月2日公布，使用尺寸为5微米的硅颗粒，并通过电子束帮助电池承受材料反复膨胀和收缩带来的影响。
这项研究旨在推动电动汽车实现单次充电行驶1000公里。POSTECH将这一里程视为研究目标。校方公告介绍的是电池系统的研究成果，并未说明车辆演示、商业化上市时间或价格。
这项技术由POSTECH化学系教授朴秀珍、博士生闵俊载和孙惠彬博士共同开发。相关研究于2024年1月17日在线发表于《先进科学》（Advanced Science），随后校方发布了研究公告。
这项技术的核心思路是让一种储能容量很大的材料更易于使用。硅的储锂量远高于电池负极中常用的石墨，但充电时体积变化很大。POSTECH团队通过化学键将硅颗粒与弹性凝胶连接起来，帮助结构适应这种变化。
对驾驶者来说，这项技术的吸引力很直接：电池储存更多能量，有望让车辆在两次充电之间行驶更远。对电池制造商而言，这项研究还试图解决另一个问题：如何使用成本相对较低的硅颗粒，同时保持稳定运行。
硅为何难以应用
硅的储能优势伴随着机械方面的难题。POSTECH称，硅在充电过程中会膨胀至原来体积的三倍以上，电池放电时又会收缩。这种反复变化会给电极及其周围材料带来应力。
负极是电池两个电极之一。充电时，锂离子穿过电解质进入负极，能量由此储存起来；使用电池时，这一过程则反向进行。电解质必须让锂离子顺利移动，同时确保电极结构经受反复充电循环后仍能正常工作。
研究人员常使用极小的硅颗粒来缓解应力。POSTECH称，纳米级硅的生产过程复杂且成本高。微米级的大颗粒有利于降低生产成本、提高能量密度，但其膨胀更难应对。
POSTECH实验中使用的颗粒尺寸为5微米，即五百万分之一米。校方称，这些颗粒约为传统纳米级硅负极所用颗粒的100倍。这是官方公告给出的具体颗粒尺寸对比，而非研究最初介绍中所称的1000倍。1微米本身相当于1000纳米。
凝胶和电子束如何发挥作用
POSTECH团队将较大的硅颗粒与凝胶聚合物电解质结合起来。聚合物是由长分子链构成的材料。在这种电池中，聚合物的弹性结构有助于电解质适应硅的尺寸变化，同时允许锂离子移动。
随后，研究人员使用电子束在硅颗粒和凝胶之间形成共价键。共价键是一种原子共享电子形成的化学连接。在这里，这些连接有助于分散硅膨胀和收缩时产生的内部应力。
这种方法将硅及其周围的电解质视为一体化结构。研究人员没有仅仅依靠缩小颗粒，而是改变了颗粒与周围材料的连接方式。POSTECH认为，结构稳定性来自这些连接，以及凝胶适应材料运动的能力。
带领团队的POSTECH化学系教授朴秀珍将这一成果描述为向实际利用硅的储能能力迈进一步：
我们使用了微米级硅负极，同时获得了稳定的电池。这项研究让我们离真正的高能量密度锂离子电池系统更近了一步。
校方还报告称，该凝胶系统的离子电导率与采用液态电解质的传统电池相近。离子电导率描述带电粒子在材料中的移动难易程度。保持良好的离子移动能力很重要，因为电解质必须支持电池在充电和供电时的离子流动。
40%的提升对续航意味着什么
POSTECH报告称，其硅与凝胶电解质系统的能量密度提高了约40%。能量密度是指电池单位质量或体积所能储存的能量。提高能量密度，是在不同比例增加电池重量或体积的情况下储存更多能量的一种途径。
校方公告以约700公里作为电动汽车续航里程的参考值，并将1000公里列为研究目标。从700公里提高到1000公里，意味着增加300公里，增幅约为43%。
这些数字说明了能量密度提高40%的吸引力。简单计算，将700公里提升40%可达到980公里，接近目标值。这一计算假设车辆能耗不变，且电池可用能量按同等比例增加。
车辆的实际续航还取决于重量、效率、车速、温度和电池组设计。实际应用的关键，是将这种材料的储能优势转化为完整电池的性能，再应用到车辆上。POSTECH报告的稳定运行、较大硅颗粒和相近离子电导率，综合应对了这一过程中的多个问题。
另一项研究着眼于硅的保护层
另一支研究团队的成员包括李爱敏和王春生，该团队于2024年2月8日发表了《自然·通讯》（Nature Communications）研究。该研究同样使用了尺寸为5微米的硅颗粒，但采取了不同方案：设计一种液态电解质，使其形成能够适应硅运动的保护表层。
论文指出，容量损失的一个主要原因是固体电解质界面膜（通常简称SEI）受损。SEI是在负极上形成的一层薄保护膜。膜层开裂时，液态电解质会进入受损的硅颗粒并再次发生反应，形成新的膜层，同时破坏电接触。
李爱敏及其同事设计的电解质含有氟代碳酸乙烯酯、环丁砜和TTE（一种含氟醚）。这一配方支持电池在4.3伏电压下运行，并形成富含氟化锂和氧化锂的保护层。
作者称，这一保护层具有“亲硅性低”的特点，也就是说，它与下方的锂和硅材料结合较弱。较弱的附着力让硅能在保护壳内部膨胀和收缩，同时降低保护壳本身承受的应力。相比之下，POSTECH的方案通过硅与弹性凝胶之间牢固的化学连接来分散应力。
因此，两项研究针对的是同一个运动问题，但着眼于不同的界面。一种方法将硅连接到柔性周围结构上；另一种则让硅在与其结合较弱的保护层内活动。
第二支团队的测试测量了什么
《自然·通讯》研究报告称，其硅负极在超过250次循环中容量达到每克2175毫安时，库仑效率为99.8%。每克容量是指一定质量的材料能够储存多少电荷。一次循环指一轮充电和放电。
库仑效率是放电时释放的电量与充电时输入电量的比值。效率为99.8%时，每个测量循环的差值约为0.2%。降低这一差值很重要，因为反复发生的非预期反应会随着时间推移消耗电荷和材料。
团队还测试了一款标称容量为100毫安时的软包电池。该电池在120次循环中，每克正极材料的容量达到172毫安时，库仑效率超过99.9%。软包电池的各个部件封装在柔性外壳内。
这些数据反映了液态电解质方案在电极容量、效率和循环性能方面的表现。POSTECH的主要成果则是其凝胶系统能量密度提高约40%。两项研究分别提供了不同的测量结果，推动人们探索如何在锂离子电池中有效使用较大的硅颗粒。
从论文发表到投入生产
POSTECH称，其制造工艺简单，可投入应用。使用较大的硅颗粒有助于解决纳米级颗粒生产成本高、工艺复杂的问题，而电子束则用于形成构建一体化结构所需的化学键。
校方公告称，这项研究获得了韩国国家研究基金会独立研究者计划的支持。两项研究的发表时间显示，同一时期还有另一项研究在探索解决硅膨胀问题：
- 2024年1月17日：POSTECH团队的研究在线发表于《先进科学》（Advanced Science）。
- 2024年2月2日：POSTECH公布其硅与凝胶电解质研究成果，以及实现车辆续航1000公里的目标。
- 2024年2月8日：《自然·通讯》（Nature Communications）发表了另一项关于使用5微米硅颗粒的液态电解质研究。
两项研究的共同实际意义在于：硅储量丰富、储能容量高，而较大的颗粒有助于降低生产难度。要让电池在反复使用后仍保持可用容量，关键在于让周围材料适应硅的运动。
要点
- POSTECH报告称，一体化硅与凝胶电解质电池系统的能量密度提高了约40%。
- 研究人员使用电子束形成化学键，帮助分散硅膨胀和收缩时产生的应力。
- 这一稳定系统使用了尺寸为5微米的颗粒；POSTECH称其尺寸是传统硅纳米颗粒的100倍。
- 车辆续航达到1000公里是研究目标；校方公告聚焦于电池研发。
- 另一项发表于《自然·通讯》的研究采用液态电解质和保护表层，报告了硅负极在超过250次循环中的表现。
