硅负极电池在变革能源储存解决方案方面的潜力，对于应对气候目标并充分发挥电动汽车的能力至关重要。

然而，硅负极中锂离子的持续损失仍然是下一代锂离子电池发展的重要阻碍。

来自赖斯大学乔治·R·布朗工程学院的科学家们开发了一种容易扩展的方法来优化前锂化工艺，该工艺通过使用稳定锂金属颗粒（SLMPs）对硅负极进行涂层，以减轻锂损耗，并改善电池寿命循环。

休斯顿大学赛班尼·丽萨·比斯瓦尔化学与生物分子工程实验室的研究显示，使用颗粒和表面活性剂的混合物喷涂阳极可提高电池的寿命22%至44%。初始阶段，具有更多涂层的电池电芯表现出更高的稳定性和循环寿命。然而，也存在一个问题：当以最大容量循环时，较多的颗粒涂层会导致更多的锂离子困住，进而使电池在后续循环中迅速衰弱。

这篇研究发表在《ACS应用能源材料》杂志上。

用硅代替石墨在锂离子电池中能显著提高它们的能量密度——即相对于重量和大小储存的能量量——因为由碳组成的石墨相对于硅能够装载更少的锂离子。每个锂离子需要六个碳原子，而只需要一个硅原子就能与四个锂离子结合。

“硅是一种具有极大潜力从根本上提高锂离子电池阴极侧能量密度的材料之一。”Biswal表示。“这也是为什么当前电池科学领域正在积极推进用硅代替石墨作为阴极的原因。”

然而，硅具有其他性质，这些性质带来了一些挑战。

"硅的一个重要问题是它不断形成我们所称的固体电解质界面层或SEI层，这实际上会消耗锂。" —— Biswal说道。

当电池单元中的电解质与电子和锂离子发生反应时，就形成了这一层。这导致了纳米级的盐层在阳极上沉积。一旦形成，这一层将隔离电解质与阳极，并阻止反应的持续进行。然而，在接下来的充放电周期中，这一固体电解质界面层(SEI)可能会破裂，而在重新形成时，它还会进一步无法逆转地耗尽电池的锂储备。

“硅负极的体积会在电池循环过程中发生变化，这可能会破坏固体电解质界面（SEI）或使其不稳定，”该研究的首席作者、化学与生物分子工程学博士校友阮权表示，“我们希望该层在电池的后续充放电周期中始终保持稳定。”

Biswal和她的团队开发的预锂化方法改善了固体电解质界面（SEI）层的稳定性，这意味着在形成过程中耗尽的锂离子更少。

“Prelithiation是一种旨在弥补硅材料通常会发生的锂损耗的策略。” Biswal说道。“你可以把它想象成给表面打底，就像你在粉刷墙壁时需要先涂一层底漆来确保油漆牢固附着一样。Prelithiation让我们可以给阳极提前‘打底’，从而让电池拥有更加稳定和更长的使用周期。”

虽然这些微粒和预锂化并非新颖之物，然而，Biswal实验室成功改进了这个过程，使其能够轻松融入现有的电池制造工艺中。

“在这个过程中，绝对新颖且功不可没的一个方面是全敏提出的使用表面活性剂来帮助分散粒子，”比斯瓦尔说道。“这个方法以前从未被报道过，正是它使得你能够实现均匀的分散。所以，它们不会聚集在一起，也不会在电池内形成不同的团块，而可以均匀分布。”

Nguyen解释道，如果在溶剂中不加表面活性剂来混合颗粒，将无法得到均匀的涂层。此外，与其他涂覆方法相比，喷涂更能够实现均匀分布于阳极的效果。

“喷涂法与大规模制造兼容，”Nguyen表示。

控制细胞的循环能力对于此过程至关重要。

“如果你无法控制电池的充电容量，更多的粒子将会触发我们在论文中发现和描述的锂困捕机制，” Nguyen说道。“但是，如果你以均匀涂覆的方式充电电池，那么锂困捕就不会发生。”

“如果我们通过优化循环策略和固液分离膜（SLMP）的使用量，找到能够避免锂困扰的方法，那将使我们更好地利用硅基负极更高的能量密度。”