Si負極材料是目前唯一實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的新型負極材料，純硅負極材料在完全充電的狀態(tài)下比容量可以達到4200mAh/g，遠高于傳統(tǒng)的石墨負極材料。但是硅負極材料在Li+嵌入的時候會引發(fā)Si負極材料晶格發(fā)生嚴重的膨脹，可達300%，這會導致硅負極粉化、脫落，導致電池的容量衰降。

為了克服Si負極材料膨脹，可采取制備Si納米顆粒、石墨包覆納米顆粒、氧化亞硅納米顆粒材料來抑制Si負極材料的膨脹。

即便是采取了這些措施，也不能完全克服Si負極材料膨脹對電池產(chǎn)生的影響，因此是實際應(yīng)用過程中往往需要Si材料與石墨材料混合使用，利用石墨材料吸收硅負極顆粒的膨脹，減少電極粉化、脫落，提高電池的循環(huán)壽命。

近日加拿大達爾豪斯大學的Leyi Zhao等人利用鋰硅合金脫鋰工藝合成了一種具有層狀結(jié)構(gòu)的無定形Si負極材料，在循環(huán)過程中該材料嵌鋰和脫鋰過程中材料的體積膨脹要明顯小于普通的Si負極材料，因此材料的循環(huán)性能也得到了顯著的提升。

Leyi Zhao等利用硅化鋰在酒精中脫鋰合成了具有層狀結(jié)構(gòu)的無定形Si負極材料。合成過程如下，首先在Ar氣流保護下，利用電弧融化Si和Li，形成鋰硅合金，冷卻后研磨成為粉末，取1g加入三頸瓶，利用Ar氣流保護，并采用磁力攪拌，最后加入酒精或者異丙醇，并進行持續(xù)攪拌需要注意的是當使用異丙醇作為反應(yīng)劑時，反應(yīng)較慢，需要采用油浴加熱，而采用酒精則反應(yīng)迅速，不需要采用加熱措施。反應(yīng)后的Si負極材料經(jīng)過去離子水和HCl洗滌后，在120℃下干燥后就可以獲得最終產(chǎn)品。

對與材料結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，化學配比為Li12Si7，Li7Si3和Li13Si4的鋰硅合金經(jīng)過脫鋰形成了層狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物，而化學配比為Li22Si5的材料則沒有形成層狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物。

相比于晶體硅材料，具有層狀結(jié)構(gòu)的無定形硅負極材料的循環(huán)性能得到了極大的提升，循環(huán)50次容量仍然能夠保持在2000mAh/g以上。為了解釋層狀無定形硅材料優(yōu)異的循環(huán)性能，Leyi Zhao對完全充電的狀態(tài)的晶體硅材料和層狀無定形硅材料的體積膨脹做了測量，發(fā)現(xiàn)晶體硅材料在完全充電狀態(tài)下體積膨脹高達241%左右，而層狀無定形硅材料的體積膨脹僅有135%左右，這主要得益于層狀結(jié)構(gòu)之間存在較大的空間，能夠吸收硅在嵌鋰時發(fā)生的體積膨脹。

但是由于該材料具有層狀結(jié)構(gòu)，因此使得其在層之間的空間較大，約占整個材料體積的70%左右，因此導致該材料的體積能量密度較低(704Wh/L)，甚至低于鈷酸鋰石墨電池(726Wh/L)。

無定形Si材料的循環(huán)性能要明顯好于晶體硅材料，特別是當無定形硅材料具有層狀結(jié)構(gòu)時，層狀結(jié)構(gòu)之間的空間，吸收了硅材料在嵌鋰時的體積膨脹，減少了材料顆粒的膨脹，提升了循環(huán)性能，但是這也造成了材料的振實密度較低，使得使用該材料的電池體積能量密度較低。

返回第一電動網(wǎng)首頁 >