硅基負(fù)極材料的研究現(xiàn)狀

◆摘? 要：如今鋰電池在諸如筆記本電腦，手機(jī)等電子產(chǎn)品中已得到了廣泛的應(yīng)用，并且在新一代的新能源電動(dòng)汽車(chē)中也具有很好的應(yīng)用前景。此外儲(chǔ)能技術(shù)和新能發(fā)電技術(shù)如光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電的配合使用以得到穩(wěn)定的輸出功率中也有著不可或缺的作用，在航空航天技術(shù)中穩(wěn)定可靠高效的儲(chǔ)能器件也至關(guān)重要。鋰電池作為儲(chǔ)能器件中發(fā)展的最成熟，應(yīng)用最廣泛的器件，成為最有前景的儲(chǔ)能電池。本文以?xún)?chǔ)能系統(tǒng)為框架，以?xún)?chǔ)能系統(tǒng)的重大戰(zhàn)略意義為支撐，從提高儲(chǔ)能效率改進(jìn)器件性能為出發(fā)點(diǎn)，從體積膨脹效應(yīng)，電導(dǎo)率低等問(wèn)題切入，著重分析體積膨脹的機(jī)理，微觀形貌的變化過(guò)程，基于此而從結(jié)構(gòu)角度探討一些改性方法，綜述了鋰離子電池硅納米負(fù)極材料的研究進(jìn)展。

◆關(guān)鍵詞：鋰離子電池;硅納米負(fù)極材料;改性;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1鋰離子電池簡(jiǎn)介

鋰電池工作時(shí)的原理圖，以傳統(tǒng)鈷酸鋰電池為例，其中負(fù)極為石墨（若為硅則原理相同），正極為鈷酸鋰。通常一個(gè)鋰電池包含有陰陽(yáng)二極用來(lái)收集電流導(dǎo)電，電解液可以使鋰離子在正負(fù)極之間傳輸，還可以避免正負(fù)極之間的直接接觸，陰極通常由金屬氧化物組成（鎳鈷猛三元材料，富鋰錳基等），陽(yáng)極通?？捎墒?，合金，硅等材料組成。鋰電池的充放電是由鋰離子的脫嵌來(lái)完成的，在此過(guò)程中鋰離子通過(guò)電解液穿梭于正負(fù)極之間。在放電過(guò)程中鋰離子從陽(yáng)極材料中分離產(chǎn)生了鋰離子和電子，鋰離子通過(guò)電解液移向陰極，電子通過(guò)導(dǎo)線傳輸?shù)酵怆娐诽峁╇娔?，在充電過(guò)程中，鋰從陰極材料中脫出產(chǎn)生了鋰離子和電子，分別通過(guò)電解液和外電路導(dǎo)線移向陽(yáng)極。

2硅納米負(fù)極材料之問(wèn)題

另一個(gè)造成電極衰減的原因是SEI膜的形成。首圈充放電后SEI膜會(huì)在電極的表面形成，阻礙電解液與電極之間的接觸。它是由于電解液中的溶質(zhì)與分解后的溶質(zhì)相互作用而生成的，SEI膜允許鋰離子的傳導(dǎo)，抑制電子的傳導(dǎo)，這種行為限制了電解液的分解并且防止了容量的持續(xù)下降。不可逆容量以及倍率性能和循環(huán)性能都高度依賴(lài)于SEI膜的質(zhì)量。常用的電解鹽有LiPF6、LiAsF6、LiBOB、LiClO4和LiBF4這些電解鹽通常以混合物的形式溶解碳酸酯類(lèi)溶劑如碳酸乙烯、二甲基碳酸二乙酯，碳酸二乙酯，碳酸丙烯中。

3硅負(fù)極材料的改進(jìn)方法

采用硅納米管的結(jié)構(gòu)會(huì)增加硅電極與電解液的接觸面積，Park等制造出了一種納米管的結(jié)構(gòu)來(lái)克服因表面積不足而引起的電極極化所導(dǎo)致的容量的衰減。這種納米管結(jié)構(gòu)電極在200次循環(huán)充放電后的可逆容量為3200mAh/g，容量保持率為89%。但是在這種結(jié)構(gòu)中SEI膜仍然會(huì)造成一些問(wèn)題，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)無(wú)法避免充電過(guò)程中硅顆粒的膨脹。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)Park等又在納米管外壁添加了一層碳包覆層。Wu等也制備了一種以SiO2為束縛層的雙壁納米管結(jié)構(gòu)，這種DWSiNT結(jié)構(gòu)可以使鋰離子通過(guò)二氧化硅層進(jìn)入電極但卻抑制了電解液的滲入。由于二氧化硅層具有機(jī)械穩(wěn)定性，所以在充電過(guò)程中納米管只會(huì)向內(nèi)擴(kuò)展。在膨脹過(guò)程中SEI膜將保持不動(dòng)，阻止了新的表面爆率和新的SEI膜的生成。圖5（a-c）顯示了二氧化硅限制層的優(yōu)勢(shì)，并且展示了它是如何是SEI膜穩(wěn)定的。圖5（d-f）展示了DWSiNT結(jié)構(gòu)的SEM和TEM形貌圖。圖5（a-b）展示了在硅納米線和納米管中硅層向外擴(kuò)展所造成的SEI膜損壞的過(guò)程。這種膨脹效應(yīng)在其他的無(wú)限制層的結(jié)構(gòu)當(dāng)中也會(huì)存在。這種SEI膜將會(huì)持續(xù)不斷的生長(zhǎng)直到膜的厚度可以限制膨脹效應(yīng)為止。

4總結(jié)與展望

隨著科技的日益發(fā)展，綠色新能源必將取代汽油、煤炭等具有污染特性的能源，成為為日常生活、工業(yè)生產(chǎn)等各行各業(yè)提供能源支持的產(chǎn)業(yè)支柱。鋰電池的發(fā)展前景廣闊，作為鋰離子電池關(guān)鍵組成部分的負(fù)極材料同樣具有良好的發(fā)展勢(shì)頭。在現(xiàn)有負(fù)極材料應(yīng)用良好市場(chǎng)基礎(chǔ)上需要日后人們克服困難及挑戰(zhàn)開(kāi)發(fā)新的負(fù)極材料，以提高鋰離子電池的能量密度、功率密度以及電池的循環(huán)壽命?？萍际瞧髽I(yè)的靈魂，掌握前沿科技的企業(yè)必將走在時(shí)代的前列。

Si/C復(fù)合材料結(jié)合了Si（高容量）和C（優(yōu)異的容量保持率，高導(dǎo)電率和低體積變化）的優(yōu)點(diǎn)成為最有希望用于實(shí)際應(yīng)用的高性能負(fù)極材料。本文總結(jié)了Si/C復(fù)合負(fù)極材料核殼結(jié)構(gòu)、蛋黃結(jié)構(gòu)、多孔型結(jié)構(gòu)和嵌入型結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最新研究進(jìn)展，這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效地緩解體積變化問(wèn)題，促進(jìn)穩(wěn)定SEI膜的形成，改善復(fù)合材料的導(dǎo)電性。構(gòu)建SiO、/C復(fù)合材料也是實(shí)現(xiàn)可逆容量、高庫(kù)倫效率和容量保持的良好平衡的一種潛在途徑?？紤]到材料的實(shí)用性，在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中應(yīng)同時(shí)考慮Si/C電極的重量和體積容量，還應(yīng)考慮具有成本效益的原材料和可擴(kuò)展的制造路線，以實(shí)現(xiàn)低成本生產(chǎn)和高商業(yè)利潤(rùn)。同時(shí)，應(yīng)繼續(xù)研究開(kāi)發(fā)新型電解質(zhì)添加劑和聚合物粘合劑，以保證堅(jiān)固的電極結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定SEI膜。將來(lái)，通過(guò)同時(shí)引入材料合成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既念，對(duì)實(shí)現(xiàn)高性能S/C復(fù)合負(fù)極材料的進(jìn)步發(fā)展具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介

張強(qiáng)（1997.12—），男，蒙古族，籍貫：河北省承德市豐寧滿(mǎn)族自治縣，學(xué)歷：本科在校生，研究方向：鋰離子電池。