據(jù)外媒報(bào)道,由于硅的能量密度較高,因此其成為了一款極具吸引力的鋰離子電池陽(yáng)極材料。然而,在充電周期內(nèi),當(dāng)電芯里的硅在與鋰交互時(shí),其膨脹收縮可達(dá)300%。而隨著時(shí)間的推移,它會(huì)明顯降低電池的性能、短路、并最終導(dǎo)致電池報(bào)廢。為改進(jìn)上述缺點(diǎn)并大體維持電池的能量密度,目前采用一氧化硅(SiOx, x ≈ 1)來(lái)制作鋰離子電池的陽(yáng)極。
硅基氧化物陽(yáng)極的應(yīng)用
硅基氧化物的可逆比容量(reversible specific capacity)較高,循環(huán)性能也有所提升。然而,該材質(zhì)仍不可避免地出現(xiàn)體積改變,且導(dǎo)電性弱。目前已開(kāi)展了大量的研究工作,旨在應(yīng)對(duì)上述技術(shù)難題。如今,中國(guó)和美國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)各自發(fā)表了研究結(jié)果,找到了兩種新的改進(jìn)方法。
美國(guó)團(tuán)隊(duì)的研究成果:非黏合性硅基氧化物/碳復(fù)合物
肯塔基大學(xué)(University of Kentucky)研究團(tuán)隊(duì)將硅基氧化物顆粒物與硫酸鹽木質(zhì)素(Kraft lignin)混合后,合成了一種高性能的非黏合性硅基氧化物/碳復(fù)合物(binder-free SiOx/C),用于制作鋰離子電池的電極。經(jīng)熱處理后,木質(zhì)素形成一種導(dǎo)電體(conductive matrix),可容納大量的硅基氧化物顆粒,確保電子導(dǎo)電率(electronic conductivity)、連接性、適應(yīng)鋰化/脫鋰反應(yīng)(lithiation/delithiation)期間的體積變動(dòng)。該材質(zhì)無(wú)需采用常規(guī)的粘合劑或?qū)щ妱?/div>
該復(fù)合材質(zhì)制作的電極的性能表現(xiàn)極為出色。相較于體積變化率相對(duì)較小的硅基氧化物電極(160%)而言,其機(jī)械電化學(xué)性能較為出色,木質(zhì)素碳素矩陣(carbon matrix)的彈性較大,可適應(yīng)體積變動(dòng)。
中國(guó)團(tuán)隊(duì)的研究的成果:微型SiOx/C芯殼(core–shell)復(fù)合物
中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)則研發(fā)了一款高效的解決方案,制備微型SiOx/C芯殼(core–shell)復(fù)合物。該研究團(tuán)隊(duì)將檸檬酸(citric acid)與經(jīng)球磨而制的硅基氧化物相混合使其碳化,隨后就獲得了一款質(zhì)地均勻的SiOx/C芯殼復(fù)合物——SiOx微芯與檸檬酸碳?xì)ぃ╟onformal carbon shell)。
碳?xì)ご蠓嵘斯杌趸锏碾妼?dǎo)率,緩和了適應(yīng)鋰化/脫鋰反應(yīng)期間的體積變化。采用SiOx/C復(fù)合物制作的電極,其可逆比容量為1296.3 mAh/g,庫(kù)倫效率(coulombic efficiency)高達(dá)99.8%,充放電200次后,容量保持率在65.1%(843.5 mAh/g)。
據(jù)該研究團(tuán)隊(duì)透露,該復(fù)合物的放電效能極為出色,該方法可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),具有成本效益,可大批量生產(chǎn)由SiOx/C復(fù)合物制作的高性能陽(yáng)極材料。
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