中國粉體網(wǎng)訊 鋰離子電池正隨著時代的需求飛速發(fā)展,，其能量密度也以每年7~10%的速率提升。然而,，現(xiàn)有的鋰電池負極技術已經(jīng)接近極限,，為了滿足新一代的能源需求，開發(fā)新型的鋰電負極技術迫在眉睫,。
硅負極由于豐富的儲量和超高的理論比容量(3572mAh/g),，一直備受科研人員的關注，是最具潛力的下一代鋰離子電池負極材料之一,。然而其在充放電過程中超過300%的膨脹率,，巨大的體積效應及較低的電導率限制了硅負極技術的商業(yè)化應用。
有鑒于此,，近日,，韓國蔚山國立技術研究所(UNIST)的Jaephil Cho、Hyun-Wook Lee和斯坦福大學的崔屹教授合作,，綜合了石墨負極技術和硅納米技術,，通過化學氣相沉積(CVD)法制備了一種全新的,、可大規(guī)模生產(chǎn)的碳-納米硅-石墨復合負極材料。
可以有效解決硅體積膨脹的問題,，最重要的是可以實現(xiàn)批量生產(chǎn),。目前該團隊制備了一批5 kg的材料，比容量可達517 mAh/g,，首次庫倫效率92%,，有望應用于實際工業(yè)生產(chǎn)中。
圖1 SGC復合負極材料結構及其優(yōu)勢及制備示意圖
在這一工作中,，研究者將球形天然石墨(PG)放入爐中,，以1.5L/min的速率先后通入硅烷(SiH4)和乙炔(C2H2)氣體，在900℃下完成化學氣相沉積得到碳-納米硅-石墨復合材料(SGC),，其中,，硅納米顆粒沉積在球形石墨的表面，并嵌入到石墨的孔隙之中,，形成約16nm厚度的納米層,，很好的提高了材料的容量和循環(huán)穩(wěn)定性能。
鋰化過程中,，硅納米殼層可以隨著體積變化而膨脹,，不論是石墨內(nèi)部的空心納米硅殼層，還是石墨和碳之間的納米硅中間層,，均可以保持形狀完好,，不會破裂或者殘留于硅和石墨之間。
通過循環(huán)50次后的解剖實驗發(fā)現(xiàn)復合材料的膨脹率只有38%,，遠低于物理混合的硅碳納米材料的71%,，更接近天然石墨的15%。這種特殊的結構構筑一方面確保了硅和天然石墨之間的兼容性,，另一方面有效避免了傳統(tǒng)機械混合中石墨粉和殘留的硅顆粒引發(fā)的嚴峻的副反應,。
圖2 各種電極的電化學性能表征
圖3 石墨負極和SGC復合負極全電池性能對比
隨后研究者又進行了半電池和全電池的電性能測試，在電極密度為1.6 g/cm-3,，面積容量>3.3 mAh/cm2,，含膠量<4%的條件下，這種復合負極第一次循環(huán)庫倫效率為92%,，循環(huán)6次之后庫倫效率便快速提高到99.5%,，100次循環(huán)之后，容量保持率高達96%,。
進一步以鈷酸鋰作為正極材料組裝全電池,，發(fā)現(xiàn)SGC/鈷酸鋰(LCO)全電池能量密度1.043 Wh/L-1，高于目前商業(yè)鋰離子電池(900 Wh/L-1),平均放電電壓3.77V,，同時具有良好的循環(huán)性能,。
因此,，使用CVD法制備的這種碳-硅-石墨納米復合材料，有望取代現(xiàn)有的石墨負極,，成為新一代商用鋰離子電池負極材料。
