日本信州大学：利用自组装单层涂层技术，构建更好的电池产品

左图所示为传统的阴极材料直接接触电解质会导致电池的阴极遭到腐蚀。
右图为用自组装单层覆盖在阴极材料表面，可改善高压锂离子电池的功率密度和循环稳定性。
图片来源：日本信州大学材料化学系能源与环境科学中心的Nobuyuki Zettsu Ph.D.

日本长野县松本市信州大学的研究人员现在研发出一种更薄，容量更高的锂离子电池，可以为电动汽车提供更好的储能系统。研究小组由日本信州大学能源与环境科学中心（CEES）的主任Katsuya Teshima教授所领导。他们在8月的“Scientific Reports”期刊中发表了他们的成果。

日本信州大学能源与环境科学中心（CEES）、材料化学系的教授Nobuyuki Zettsu表示：“锂离子电池是一种非常有前景的电动汽车的能量存储系统，需要相对较高的能量密度。然而，较高的工作电压通常会导致电极表面发生氧化分解，从而也伴随着各种其它反应。”

虽然锂离子电池储存了大量的能量，但是输出电池能量也对电池有影响，换句话说，它造成的损坏会使电池失去了存储容量。

为了解决这个问题，Zettsu及其同事研究了高压（> 4.8 V，Li / Li）下，电子进入电池时阴极的电学和电化学特性。

Zettsu指出：“一些研究人员试图通过减少直接接触面积来观察是否减轻容量衰减。科学家用不同材料覆盖阴极表面以减少侵蚀进行研究，他们已经进行了各种基础研究来研究表面涂层改性的影响。然而，他们都没能使高压阴极电池的性能得到显着提升。”

Zettsu在电极表面使用自组装单层引起了一阵潮流。他的团队在阴极表面涂上了一层超薄的氟代烷基硅烷涂层。氟代烷基硅烷作为硅氧烷，可以自组织成最有效的排列方式来传导锂离子并使电子绝缘，同时仅保留一个原子厚度。

Zettsu说“我们发现用自组装单层涂覆活性材料表面可以促进电极内的有效输送，同时也抑制了电极和电解质界面发生的其他不良反应。这种涂层可有效改善高压锂离子电池的功率密度和循环稳定性能。”

研究人员发现，阴极和电池内的电解质之间的直接接触被最小化，即使电池循环一百次后电池的容量也不会降低。

Zettsu说：“沉积的自组装单层涂层降低了锂离子转移的激活势垒，并稳定了材料表面附近的离子，这对电极和电解质之间界面处发生的电化学反应产生了积极的影响。表面稳定涂层代表了一种改变游戏规则的技术，可不受电化学功率密度与循环稳定性的限制而用于开发高压阴极材料。”

Zettsu认为，他们需要更详细地检查表面涂层对整个电池系统产生的全部效果，以便更好地了解任何潜在的负面作用。

Zettsu说：“我们的研究结果可为具有卓越电化学性能的高压系统设计的锂离子电池提供新的方向。”

Zettsu计划在2022年与汽车和电池制造商合作，将这种表面处理技术推向市场，目的是创造环保的高能电池。

Zettsu提出：“世界环保法对电动和混合动力汽车的稳步发展具有推动作用，并且锂离子电池所需的性能水平也非常高。目前，我们正致力于使用涂层工艺和自动驾驶模式的实验，为插电式混合动力汽车和电池续航的电动汽车制造真正的电池。”