锂電池矽碳負極材料現狀怎麽樣？

TIME: 2022-01-04 新聞資訊

锂電池使用Si材料做负极，理论上具有超高的理论比容量3590mAh/g和较高的工作电压，被认为是最有希望替代商业用石墨的负极之一，且资源丰富，环境友好。然而，目前锂電池使用Si负极的实际应用受到多重阻碍。主要原因是Si在完全脱锂后体积变化较大，在反复的嵌锂/脱锂过程中产生膨胀/收缩应力，导致Si材料发生严重断裂。这导致Si表面形成不稳定的固体电解质界面膜，不断消耗电解质，从而导致快速的不可逆容量损失和较低的初始库仑效率。此外，Si固有的低电导率和低锂离子扩散系数，也显著影响Si电极的倍率性能和库伦效率。这些问题必须在硅电极的实际应用之前得到解决。

在過去，人們致力于提高矽基負極材料的電化學性能。通常是將矽的顆粒尺寸減小到納米級或者具有非晶結構特征時，這樣可以釋放由于體積變化過大而引起的結構應力。然而，納米矽顆粒具有較大的表面能，容易發生團聚從而導致容量的衰減，從而抵消了納米顆粒的優勢。除此之外，僅通過Si納米化對導電性差的問題也無明顯改善。因此，將Si與其他材料通過合適的制備方法進行複合得到矽基複合材料，利用其他材料的物理特性來改善單質矽的電化學性能。

其中，較爲理想的方法是將納米矽顆粒與結構穩定且導電性能優異的基體材料複合，在充分發揮矽材料高容量的同時，用基體材料緩解矽的體積膨脹效應並提供電子和锂離子的傳輸通道。矽基複合材料是高容量锂離子電池負極材料的重要發展方向，目前大量的研究工作集中在矽/金屬複合材料，矽/碳複合材料以及二者的有效結合上。

目前，无论惰性金属还是活性金属作为基体材料与硅复合，对锂電池整体电极的循环稳定性提升的效果均不明显，且大部分金属的价格较高。碳类材料具有优异的柔韧性、导电性、机械强度和循环稳定性，且来源丰富、成本低。大量研究工作表明，石墨、碳纳米管、石墨烯和氧化石墨烯等碳材料，均可以通过不同制备方法与硅复合，有效地缓解硅的体积膨胀效应，并提高锂离子和电子导通性，有效改善其电化学性能。因此，硅/碳复合材料一直是硅基复合材料的主要研究方向，也是目前锂電池研究发展的方向之一。

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