矽碳高倍率锂電池的缺点与改进方法
矽碳高倍率锂電池作为下一代锂離子電池具应用前景的首选锂电池,其中使用的硅以其4200 mAh g-1(对应Li4.4Si)的理论比容量而备受瞩目。矽碳高倍率锂電池为了电动汽车及储能器件对高容量锂电池的需求,以硅基负极材料代替目前商用石墨负极已是大势所趋。

矽碳高倍率锂電池的缺点
矽碳高倍率锂電池矽基材料在脫嵌锂過程中會遭受嚴重的體積膨脹和收縮(形變量超過300%)。巨大的體積變化不僅導致了材料粉碎從而與集流體和電解液失去電接觸,同時也使得負極的固體電解質界面膜(SEI)處于不斷碎裂和修複的動態過程,並不斷消耗正極材料的活性锂。因此矽負極不盡人意的循環穩定性及倍率性能常爲人所诟病。
矽碳高倍率锂電池在缓解硅负极材料体积剧烈变化的方法有以下三种:
- 減小矽顆粒尺寸,矽納米顆粒,矽納米線,矽納米管等納米級別的矽基材料可以緩解體積膨脹帶來的機械碎裂,但材料表面與導電介質的接觸問題沒有得到改善,無法獲得良好的循環穩定性及倍率性能。
- 調控及定制合適的導電介質,通過設計與納米矽相匹配的納米導電介質如碳納米材料等,與矽形成蛋黃-蛋殼型的包覆結構來改善電接觸。但這種物理結合的方式在倍率性能方面表現不佳。
- 實現矽基材料與導電介質的共價結合,通過成鍵的方式可以較好地保證材料與導電介質的結合,但這類通過點與點相接的結合方式無法保證電荷的充分轉移,多次充放電循環後往往伴隨著性能的大幅下降。
通过二维共价包覆有效解决了硅基材料与导电介质间接触不良的难题,大大提高了离子和电子的导通率,在0.8 A g-1的电流密度下重量比容量高达2646 mAh g-1。而肌肤状的包覆结构使得矽碳之间结合更为紧实牢固,较好地缓解了硅基材料的体积膨胀,在后续的充放电循环过程中能长时间保持稳定,500次循环后材料的可逆比容量仍高于石墨理论比容量的五倍。
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