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硅碳高倍率锂电池的缺点与改进方法

硅碳高倍率锂电池作为下一代锂离子电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。硅碳高倍率锂电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。

高倍率电池

硅碳高倍率锂电池的缺点

硅碳高倍率锂电池硅基材料在脱嵌锂过程中会遭受严重的体积膨胀和收缩(形变量超过300%)。巨大的体积变化不仅导致了材料粉碎从而与集流体和电解液失去电接触,同时也使得负极的固体电解质界面膜(SEI)处于不断碎裂和修复的动态过程,并不断消耗正极材料的活性锂。因此硅负极不尽人意的循环稳定性及倍率性能常为人所诟病。

硅碳高倍率锂电池在缓解硅负极材料体积剧烈变化的方法有以下三种:

  • 减小硅颗粒尺寸,硅纳米颗粒,硅纳米线,硅纳米管等纳米级别的硅基材料可以缓解体积膨胀带来的机械碎裂,但材料表面与导电介质的接触问题没有得到改善,无法获得良好的循环稳定性及倍率性能。
  • 调控及定制合适的导电介质,通过设计与纳米硅相匹配的纳米导电介质如碳纳米材料等,与硅形成蛋黄-蛋壳型的包覆结构来改善电接触。但这种物理结合的方式在倍率性能方面表现不佳。
  • 实现硅基材料与导电介质的共价结合,通过成键的方式可以较好地保证材料与导电介质的结合,但这类通过点与点相接的结合方式无法保证电荷的充分转移,多次充放电循环后往往伴随着性能的大幅下降。

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硅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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