硅負極的應用技術研究進展

陳 瑤，呂豪杰，石先興

(萬向A一二三系統(tǒng)有限公司，浙江杭州311215)

硅負極的應用技術研究進展

陳 瑤，呂豪杰，石先興

(萬向A一二三系統(tǒng)有限公司，浙江杭州311215)

硅因具有最高的理論儲鋰容量而成為高能量密度鋰離子電池的首選負極，然而其低的循環(huán)壽命嚴重阻礙了其商業(yè)化應用。硅負極低的循環(huán)壽命源于其在充放電過程中存在巨大體積膨脹。硅負極的體積膨脹使得硅顆粒和電極的機械穩(wěn)定性、活性顆粒之間的電接觸以及SEI膜的穩(wěn)定性變差。為了提高其循環(huán)穩(wěn)定性改變這種不利因素，研究者們在極片的制備工藝、電解液的選擇以及電池的設計方面做了許多努力，并取得了一定的成效。對上述研究工作進行了綜述，以期為硅負極的實用化進程提供可行的技術思路。

鋰離子電池；硅負極；應用技術

大幅度提高鋰離子電池的能量密度是便攜式電子產品、電動汽車和儲能電站等一系列新技術領域發(fā)展的迫切要求?，F(xiàn)有石墨負極的理論嵌鋰容量僅372 mAh/g，嚴重限制了鋰離子電池能量密度的進一步提升。硅因具有十倍于石墨負極的儲鋰容量，被認為是下一代鋰離子電池的理想負極。然而，硅負極在鋰化/去鋰化過程中涉及巨大的體積變化，導致其循環(huán)穩(wěn)定性較差，制約了硅基負極的實際應用。

針對這一問題，研究者們開展了大量的研究工作來改善其循環(huán)性能。其中部分研究工作著重于設計硅材料的組成和結構，如能夠提供緩沖空間的復合材料、或者利用納米化技術來減小活性顆粒的體積膨脹效應。Magasinski A等人[1]采用兩步氣相沉積法制備nano-Si/C復合材料，100周循環(huán)后材料的比容量仍然在1 500 mAh/g以上，表現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)性能。Cui Yi等人[2]通過模板法制備了中空的硅納米管，該材料表現(xiàn)了長達6 000周的循環(huán)壽命。

硅材料的結構設計能夠使單個活性顆粒在反復的體積變化中保持完整，從而改善材料的循環(huán)性能。但是，硅的體積膨脹還會導致電極的機械穩(wěn)定性、電極內部活性顆粒的電接觸以及電極表面SEI膜的穩(wěn)定性受到影響，因此，硅負極的性能不僅與材料本身的組成和結構有關，還與極片的制備工藝、電解液的選擇以及電池的設計密切相關。為了推進硅基負極的應用進程，研究者們從電極組成、粘結劑的選擇，以及電解液的優(yōu)化等方面開展了系列工作，主要進展如下：

1 電極組成優(yōu)化

硅基負極的制備過程通常是，將活性材料、導電劑和粘結劑混合制成的漿料涂覆在集流體上形成電極。其中，導電劑能夠使活性粉體之間保持良好的電接觸，從而保證電極內部各個部分的活性顆粒發(fā)生充分的電化學反應。因此，導電劑的電導率、分散度、粒徑大小、比表面等物化指標，以及添加量和分散方式等都將顯著影響硅基負極的電化學性能。常用的導電劑有乙炔黑、Super P、科琴黑、氣相沉積碳纖維(VGCF)等，它們具有不同的形貌、電導率以及吸液能力，因此不同導電劑適用于不同結構和形貌的硅基材料。Xiao jie等人[3]比較了使用Super P和科琴黑為導電劑時微米級多孔硅的電化學性能，發(fā)現(xiàn)使用科琴黑為導電劑時，電極的比容量稍低，但循環(huán)性能較為穩(wěn)定。Bernard Lestriez等人[4]研究了乙炔黑、氧化石墨烯和還原石墨烯作為100 nm硅粉導電劑時硅電極的電化學性能。研究結果顯示，還原石墨烯作為導電劑制備的硅電極在高的載量下 (Si 2.5 mg/cm2)表現(xiàn)出了更好的循環(huán)壽命和庫侖效率。Lestriez B等人[5]還研究了導電劑的分散方式和形貌對硅粉體電化學性能的影響，結果表明，導電劑不僅影響了電極的電導率，還影響了電極微區(qū)的機械應力分布。與Super P和VGCF相比，膨脹石墨作為導電劑所制備的硅電極雖然具有較高的內阻，但表現(xiàn)出更為穩(wěn)定的循環(huán)性能，他們認為這一原因來自于膨脹石墨改善了電極內微區(qū)的機械穩(wěn)定性，對電極內部機械應力有分散作用，從而提高了材料的循環(huán)穩(wěn)定性。Guyomard D.等人[6]對比了多壁碳納米管(MWNTs)、VGCF、導電碳(CB)作為導電劑時微米級硅粉電極的電化學性能，研究結果顯示MWNTs和VGCF混用時，電極表現(xiàn)出最優(yōu)的循環(huán)性能和倍率性能。

另一方面，導電劑和粘結劑除了發(fā)揮導電性和粘結力的作用之外，還可以作為緩沖介質來緩解活性硅的體積膨脹。因此，硅基負極的電化學性能還與其電極配比密切相關。Beattie S.D.等人[7]通過建模優(yōu)化了電極的組成，認為硅在電極中的質量比小于20%時，電極具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性，并且通過實驗驗證了這一結果。進一步的實驗結果表明，電極中因存在一定的孔隙結構，實際應用過程中硅(100 nm)含量可增加至33% (質量分數(shù))。

2 粘結劑選擇

Bridel J.-S等人[8]認為較高的電極孔隙率，以及粘結劑與硅表面相互作用力的存在是保證電極循環(huán)性能的前提條件。鑒于電極孔隙率與其體積能量密度之間呈現(xiàn)反向相關，研究者們更多地關注于篩選合適的粘結劑。

早在2003年，Dahn JR等人[9]就利用表面活性劑和硅烷偶聯(lián)劑來制備硅電極，來增強硅顆粒與粘結劑之間的相互作用力。相應的，所制備的硅電極表現(xiàn)出更好的循環(huán)性能。其他研究者則更偏向于直接利用粘結劑的自身官能團與硅材料表面的相互作用來改善電極的粘結力。如含有醇羥基、酚羥基、羧基或者氨基的粘結劑，可以與硅基材料表面豐富的硅羥基或Si-O-Si鍵產生鍵合作用。這類粘結劑有羧甲基纖維素鈉(CMC)、聚丙烯酸酯類(LA312)、海藻酸鈉(SA或NaAlg)、聚丙烯酸(PAA)、聚乙烯醇(PVA)、聚多糖、聚-環(huán)糊精等。

Wu Nae Lih等人[10]首次將CMC-SBR混合物作為粘結劑制備硅電極，發(fā)現(xiàn)所制備的電極表現(xiàn)出高于50周的循環(huán)壽命，遠優(yōu)于使用PVDF制備的硅負極。Dahn JR等人[11]使用PVDF、CMC、CMC-SBR三種粘結劑制備的硅電極，發(fā)現(xiàn)CMC粘結劑制備的電極表現(xiàn)出最優(yōu)的循環(huán)性能。Kovalenko Igor等人[12]利用海藻酸鈉作為粘結劑，制備的硅電極在4.2 A/g的電流密度下循環(huán)100周后仍能保持1 700 mAh/g以上的比容量。Liu gao等人[13]合成了導電性的PPFOMB聚合物，并將其作為粘結劑和導電劑與50 nm的硅粉混合后制備成電極。該電極在0.1的倍率下循環(huán)650周能夠保持2 000 mAh/g以上的比容量。在此基礎上，該課題組[14]將具有改善電解液吸附能力和聚合物機械強度的基團引入到PPFOMB中，合成出聚合物PEFM。以此聚合物為粘結劑的電極，其比容量接近硅的理論儲鋰容量；循環(huán)50周后，電極仍具有3 000 mAh/g以上的比容量。Yan donglin等人[15]對比了聚酰亞胺樹脂(PI)和CMC-SBR作為粘結劑時石墨-Si-SiO-C復合負極的電化學性能，發(fā)現(xiàn)PI基電極表現(xiàn)出更長的循環(huán)壽命。他們證實其原因是PI粘結劑的粘結力較大，阻止了由于體積膨脹導致的負極掉粉現(xiàn)象的發(fā)生，改善了材料的循環(huán)性能。

部分研究者還將常用粘結劑進行混合、改性和交聯(lián)以開發(fā)廉價高效的粘結劑體系。Ryou Myung-Hyun等人[16]采用多巴胺對海藻酸鈉(Alg)和聚丙烯酸(PAA)進行接枝改性，得到新型粘結劑Alg-C和PAA-C?；谶@兩種粘結劑的硅基負極表現(xiàn)出更高的儲鋰容量和更長的循環(huán)壽命。Koo Bonjae等人[17]通過150℃下真空處理聚丙烯酸(PAA)和羧甲基纖維素鈉(CMC)兩種聚合物，得到了交聯(lián)反應產物c-PAA-CMC?；谶@種粘結劑的硅負極經過循環(huán)100周后，仍保持有2 000 mAh/g以上的比容量。Komaba S.等人[18]利用聚丙烯酸和聚碳化二亞胺酰胺化反應生成交聯(lián)聚合物(PAA-PCD)，并研究了PAA-PCD作為粘結劑時硅和石墨復合材料的電化學性能，結果顯示PAA-PCD具有更好的分散性能和粘結力，相應的硅負極表現(xiàn)出更好的循環(huán)性能。Wang Donghai等人[19]采用真空熱聚合的方法制備了PAA-PVA/Si的網絡結構電極，硅活性顆粒與聚合物之間存在的氫鍵和共價鍵為硅體積膨脹提供了足夠的粘結力，因此該電極表現(xiàn)出遠優(yōu)于PVDF基電極、Na-CMC基電極的循環(huán)性能，300周循環(huán)后，電極的容量保持率為69%。

此外，從文獻結果中我們還發(fā)現(xiàn)，不同粘結劑的對比實驗結果不盡相同。Christoph Erk等人[20]發(fā)現(xiàn)使用PAA粘結劑制備的納米硅電極具有最優(yōu)的循環(huán)性能，其次是PVA、AA(海藻酸鈉)、PVDF和CMC。這一結果與大部分的研究結果相悖。這可能是由于不同研究者使用的硅材料不同，其表面性質不盡相同，使得粘結劑與硅的相互作用有所差異，導致了研究結果的差異性。

3 電解液的組成優(yōu)化

合適的電極組成和粘結劑可以提高硅電極在循環(huán)過程中的機械穩(wěn)定性，從而改善硅負極的循環(huán)性能。但由于硅負極在儲鋰過程中的巨大的體積膨脹還會引起表面的SEI膜反復破裂和重建，SEI厚度不斷增加導致界面阻抗增加，電池容量下降。因此硅基電極的電化學性能與其表面固體電解質膜(SEI膜)的組成、結構和性質密切相關，致密、穩(wěn)定的SEI膜有利于保證硅基負極的循環(huán)穩(wěn)定性。SEI膜是電解液在負極表面的還原分解形成的，其結構和性質受電解液組分的影響非常大，因此優(yōu)化電解液組成對于改善硅基負極的應用性能具有非常重要的作用。

研究者們發(fā)現(xiàn)在電解液中加入成膜添加劑有利于形成穩(wěn)定的SEI膜，從而改善材料的電化學性能。根據(jù)文獻報道，用于硅基負極的成膜劑主要有：碳酸亞乙烯酯(VC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、丁二酸酐(SA)、三(五氟苯基)硼烷(TPFPB)、順丁烯二酸酐等。Park Jung-Ki等人[21]比較了SA、VC、FEC以及TPFPB作為成膜添加劑時硅薄膜的電化學性能，證實硅電極在含有VC和FEC添加劑的電解液中表現(xiàn)出更為穩(wěn)定的循環(huán)性能，并且FEC作為添加劑時電池的庫侖效率更高。Bordes Arnaud等人[22]研究了Li[Ni0.8Co0.15Al0.05]O2和Si/graphene組成的全電池體系，發(fā)現(xiàn)含有5%FEC添加劑的電解液能夠有效改善其循環(huán)穩(wěn)定性，50周的循環(huán)穩(wěn)定性由81%提高至幾乎無容量衰減。隨著研究的進展，F(xiàn)EC被認為是較為合適的硅負極添加劑，因而其作用機制被廣泛研究。Chen Xilin等人[23]通過分析7Li固體核磁譜發(fā)現(xiàn)，硅負極在含有10%FEC的電解液中循環(huán)35周后，其表面SEI膜的厚度僅為第二周時的2.1倍；而在不含F(xiàn)EC添加劑的空白電解液中循環(huán)相同周次時，表面SEI膜則增厚至第二周時的3.4倍。SEI膜厚度的增加導致硅負極循環(huán)100周后的容量保持率僅為41.3%，而在含有10%FEC的電解液中，對應的容量保持率為97.3%。

在此基礎上，人們進一步研究了FEC作為共溶劑時對硅基材料性能的影響。Lin Yongmao等人[24]研究了硅基負極在FEC含量分別為0%、20%和50%的電解液體系中的電化學性能，發(fā)現(xiàn)隨著FEC含量的增加，電極的循環(huán)穩(wěn)定性和庫侖效率隨之提高，但其首周效率有一定程度的下降。

除添加劑外，電解液中電解質鹽和溶劑的分解都會對SEI膜產生重要影響。Yu Z.等人[25]比較了硅電極在四種電解質鹽LiPF6、LiBOB、LiClO4和LiBF4中的電化學性能，發(fā)現(xiàn)LiBF4作為電解質時，循環(huán)后電池的阻抗明顯增加，電池的容量迅速衰減。LiBOB和LiPF4混合后作為電解質時，硅電極表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)性能。Philippe Bertrand等人[26]發(fā)現(xiàn)，在使用雙(氟磺酰)亞胺鋰(LiFSI)為電解質的電解液中，硅負極表現(xiàn)出更為穩(wěn)定的循環(huán)性能。其原因是LiFSI能夠在硅基負極表面形成更為穩(wěn)定的SEI膜，且不會因電解液中微量水的存在而產生腐蝕SEI膜和硅材料的氫氟酸。雙草酸硼酸鋰(LiBOB)具有較高的還原電位，有利于形成穩(wěn)定的SEI膜，也曾被用作電解質鹽來改善硅基負極的循環(huán)性能。但是，由于LiBOB在常規(guī)有機碳酸酯溶劑中的溶解度較為有限，導致電解液的離子電導率較低，因此，LiBOB往往被當做作一種電解液添加劑，或者被當作一種共電解質鹽，與LiPF6一起使用。其他硼酸鹽如二氟草酸硼酸鋰[27](LiFOB)也被證實具有較好的成膜特性，能夠有效改善硅負極和正極的SEI膜，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

除了常用的碳酸酯類溶劑，人們還關注了環(huán)狀醚(1，3二氧環(huán)戊烷，DOL)以及新型液體-離子液體等作為溶劑時硅負極的電化學性能。Etacheri Vinodkunar等人[28]比較了硅納米線在電解液LiPF6/EC-DMC和LiTFSI/DOL電解液體系中的電化學性能，發(fā)現(xiàn)在DOL電解液中，硅納米線表現(xiàn)出更優(yōu)的循環(huán)性能。他們認為電解液中存在的聚二氧戊環(huán)及其低聚物有效抑制了硅納米線的體積膨脹，使得硅納米線在60℃下循環(huán)1 000周后，仍能保持1 250 mAh/g以上的比容量。

離子液體具有電導率高、電化學窗口寬等優(yōu)勢，越來越多的研究開始關注于離子液體在硅負極上的應用。Choi Ji-Ae等人[29]研究了硅基合金薄膜電極在離子液體1-丁基-1-甲基吡咯烷-雙(三氟甲烷磺?；?亞胺(BMP-TFSI)中的電化學行為，發(fā)現(xiàn)硅薄膜電極表現(xiàn)出了遠優(yōu)于其在常規(guī)電解液體系中時的循環(huán)穩(wěn)定性。循環(huán)100周后，硅負極表面SEI膜的阻抗譜幾乎沒有發(fā)生任何變化，表明在離子液體電解液中形成的SEI膜更為穩(wěn)定。Song Jin-Woo等人[30]研究了SiO1.3在吡咯烷鎓型離子液體[雙(三氟甲烷磺?；?亞胺鋰-1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓雙(三氟甲磺酰)亞胺鹽]的電化學行為，發(fā)現(xiàn)氧化硅在離子液體電解液中表現(xiàn)出更好的循環(huán)性能。但是，由于離子液體的粘度一般較大，硅基負極的初始充放電容量往往較低。

4 展望

硅因具有3 580 mAh/g的比容量，而成為下一代鋰離子電池的首選負極，但是體積膨脹導致的低的循環(huán)壽命成為其商業(yè)化應用的重要桎梏。減小硅顆粒尺寸可以避免單個顆粒因為應力而粉化，然而僅如此，難以解決因體積膨脹引起的顆粒電接觸不良、電極機械穩(wěn)定性變差，以及SEI膜破裂和反復重建帶來的影響。從電極組成、粘結劑和電解液體系進行綜合考慮和改進，有望為硅顆粒體積膨脹的不良影響，進而為硅負極商業(yè)化應用提供可行的解決方案。

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Progress of application of silicon anodes

Silicon was considered as an important candidate anode for high energy density Li-ion batteries.However, its practical application was hindered by the poor cyclability,which was resulted from the huge volumetric changes during cycles.Such an enormous volume change brings about three severe problems for battery applications.One was the degradation of mechanical integrity of active silicon particles and electrodes.Another one was poor electrical contact between active particles.And the last one was the repeated construction and destruction of the SEI film.The mechanical integrity of active Silicon particles could be effectively depressed by well-designed Si materials.While the mechanical integrity of the electrodes,the electrical contact of the particles and instability of the SEI films only could be improved through preparing process of the electrodes,proper binder and electrolyte.The revolution of silicon anode was reviewed in the aspects of silicon particle preparation,binder selection and electrolyte development.We hope that the review can provide some clue and initiate some new ideas for promoting the commercial application of silicon anodes.

lithium ion batteries;silicon;application

TM 912

A

1002-087 X(2016)03-0736-04

2015-08-04

陳瑤(1987—)，女，湖北省人，博士，主要研究方向為硅基負極，高能量密度鋰離子電池開發(fā)。