中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近日,，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程師們與韓國(guó)電池制造商LG能源解決方案公司的研究人員合作,，使用固態(tài)電解質(zhì)和全硅負(fù)極,，創(chuàng)造了一種新型的硅全固態(tài)電池,，相關(guān)研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。最初的幾輪測(cè)試表明,，新電池安全,、持久且能量密集，可提供500次充放電循環(huán),，室溫容量保持率為80%,，為使用硅等合金負(fù)極的固態(tài)電池開(kāi)辟了一個(gè)新領(lǐng)域，有望用于從電網(wǎng)存儲(chǔ)到電動(dòng)汽車的廣泛領(lǐng)域,。
此次,，研究人員消除了全硅負(fù)極附帶的碳和黏合劑，使用了比更常用的納米硅所需加工更少,，價(jià)格也更低的微硅,。硅負(fù)極在室溫到低溫下允許更快的充電速率，同時(shí)保持高能量密度,，比當(dāng)今商業(yè)鋰離子電池中最常用的石墨負(fù)極高10倍,。另外，研究人員還除去了液體電解質(zhì),，取而代之的是使用了一種基于硫化物的固體電解質(zhì),。實(shí)驗(yàn)表明，這種固體電解質(zhì)在全硅負(fù)極電池中非常穩(wěn)定,。通過(guò)這些方法,，這種電池顯著減少了負(fù)極與固體電解質(zhì)的界面接觸，避免了液體電解質(zhì)通常發(fā)生的連續(xù)容量損失,，充分發(fā)揮了硅的低成本,、高能量和環(huán)境友好特性。
一,、Si負(fù)極硫化物全固態(tài)電池發(fā)展史
2009年,，Lee團(tuán)隊(duì)發(fā)表了第1篇將硅負(fù)極用于硫化物全固態(tài)電池的文章,，隨后幾年該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了顆粒尺寸、導(dǎo)電劑,、截止電壓,、外加壓力對(duì)含Si負(fù)極硫化物全固態(tài)電池性能的影響，開(kāi)啟了含Si負(fù)極用于硫化物全固態(tài)電池的研究(加上2018年Tatsumisago團(tuán)隊(duì)研究楊氏模量對(duì)全固態(tài)電池性能的影響,，基本囊括了后續(xù)文章研究的變量),。此外，Lee團(tuán)隊(duì)還將Si-Ti-Ni,、Si-Sn合金負(fù)極,、Si@PAN(聚丙烯腈)等改性手段引入硫化物全固態(tài)電池。
2014年,，Takada團(tuán)隊(duì)第1次報(bào)道了含Si負(fù)極薄膜硫化物全固態(tài)電池,。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)脈沖激光沉積、磁控濺射等方式制備了一系列含Si負(fù)極薄膜硫化物全固態(tài)電池,，具有非常優(yōu)異的倍率和循環(huán)性能,。
2018年以來(lái)，該領(lǐng)域的論文主要聚焦于利用濕法涂覆手段制備含Si負(fù)極硫化物全固態(tài)電池,，標(biāo)志著含Si負(fù)極硫化物全固態(tài)電池加速實(shí)用化的進(jìn)程,。
含Si負(fù)極硫化物全固態(tài)電池的研發(fā)歷程
（圖片來(lái)源：閆汶琳等.含硅負(fù)極在硫化物全固態(tài)電池中的應(yīng)用）
二、含Si負(fù)極硫化物全固態(tài)電池分類及介紹
含Si負(fù)極硫化物全固態(tài)電池根據(jù)制備方式和電池構(gòu)造主要可分為3類：干粉壓制粉餅全固態(tài)電池,、濕法涂敷全固態(tài)電池和薄膜全固態(tài)電池,。
干粉壓制粉餅全固態(tài)電池：粉餅電池的制備主要是負(fù)極、電解質(zhì),、正極(或金屬鋰)層層堆垛壓制而成,，通過(guò)外部電池模具對(duì)電池施加壓力。粉餅電池的優(yōu)勢(shì)在于不引入溶劑和黏結(jié)劑,，可以充分發(fā)揮活性物質(zhì)的電化學(xué)活性,，最能反映活性材料的本征狀態(tài)，有助于研究全固態(tài)電池中的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題,。劣勢(shì)在于使用非常厚的固態(tài)電解質(zhì)層,，能量密度和面容量沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì)，且很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備,。
濕法涂敷全固態(tài)電池：濕法涂覆指將電極活性物質(zhì),、電解質(zhì)、導(dǎo)電劑,、黏結(jié)劑均勻分散在有機(jī)溶劑中或?qū)㈦姌O活性物質(zhì),、導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑均勻分散在電解質(zhì)溶液中，再用刮刀涂覆在集流體上,，烘干制成極片,。該方法適配傳統(tǒng)鋰離子電池的產(chǎn)線，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),，且可以有效降低電解質(zhì)層的厚度,，充分發(fā)揮全固態(tài)電池的能量密度優(yōu)勢(shì)。
薄膜全固態(tài)電池：薄膜電池固態(tài)電解質(zhì)層過(guò)厚(約1mm),，活性物質(zhì)負(fù)載量極低(＜0.23mg/cm2),，因此無(wú)法用于動(dòng)力電池或大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域，一般應(yīng)用于微電子系統(tǒng),、集成電路,、柔性可穿戴電子設(shè)備等。
三,、含Si負(fù)極在硫化物全固態(tài)電池中應(yīng)用的挑戰(zhàn)
Si本身導(dǎo)電性較差,，不利于電極的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程，且Si嵌鋰后巨大的體積膨脹導(dǎo)致Si循環(huán)穩(wěn)定性較差,，因此Si負(fù)極在硫化物全固態(tài)電池中的應(yīng)用還面臨以下挑戰(zhàn)：
比能量較低：由于Si巨大的體積變化以及半導(dǎo)體性質(zhì),，需要使用大量導(dǎo)電劑和固態(tài)電解質(zhì)構(gòu)建電極中的導(dǎo)電通路，目前報(bào)道的文章普遍采用較低的活性物質(zhì)占比(14%～70%)和較低的電極負(fù)載(大多在1.5mg/cm2以下),，粉餅電池還使用了非常厚的電解質(zhì)層(80～200mg)，難以發(fā)揮含Si負(fù)極高容量的優(yōu)勢(shì),。
容量衰減：鋰離子電池中的容量損失主要有活性物質(zhì)損失和Li+損失,，在含Si負(fù)極硫化物全固態(tài)電池中，活性物質(zhì)損失主要由于循環(huán)過(guò)程中巨大體積變化導(dǎo)致電極粉化失活,，Li+損失主要是電極電解質(zhì)界面副反應(yīng)以及Si顆粒對(duì)Li+捕獲,。固態(tài)電池中，Si巨大的體積膨脹撐破界面層,，暴露新的表面,，導(dǎo)致電解質(zhì)進(jìn)一步分解，而Si在前幾周的循環(huán)中體積變化程度最大,，所以含Si負(fù)極硫化物全固態(tài)電池的前幾周庫(kù)侖效率并不高,，電池容量持續(xù)衰減。
Si的改性手段是否通用：液態(tài)電池中,，Si的改性策略主要有納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、表面包覆、復(fù)合設(shè)計(jì),、強(qiáng)效黏結(jié)劑,、預(yù)鋰化等。納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是Si的納米多孔結(jié)構(gòu),，預(yù)留空間緩沖Si的體積膨脹,，但是在全固態(tài)電池制備過(guò)程中,，需要施加外力，可能會(huì)破壞多孔結(jié)構(gòu),，無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果,。
四、近期硅負(fù)極相關(guān)的資訊
廣汽集團(tuán)：海綿硅負(fù)極片電池技術(shù),、續(xù)航可達(dá)1000km的純電動(dòng)車型AlONLX已在海南三亞完成夏季高溫測(cè)試,。這項(xiàng)重量級(jí)電池“黑科技”已完成多輪嚴(yán)苛測(cè)試，1000Km的AlONLX即將進(jìn)入量產(chǎn)階段,。
韓國(guó)SK Materials：據(jù)韓國(guó)《朝鮮日?qǐng)?bào)》9月14日?qǐng)?bào)道,，SK Materials公司與美國(guó)電池材料企業(yè)——Group 14 Technologies成立的合作公司14日表示，將與韓國(guó)慶尚北道尚州市簽訂《投資諒解備忘錄》,，擬投資8500億韓元設(shè)立電池硅負(fù)極材料生產(chǎn)工廠,。擬新設(shè)的硅負(fù)極材料工廠計(jì)劃10月開(kāi)工，2022年投產(chǎn),。據(jù)悉,，Group 14 Technologies是擁有硅負(fù)極材料相關(guān)技術(shù)及專利的電池材料公司，總部設(shè)在美國(guó)西雅圖,。有分析指出,，SK Materials對(duì)硅負(fù)極材料進(jìn)行積極投資和技術(shù)開(kāi)發(fā)，意在借此搶占新一代電池材料產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)權(quán),。
參考來(lái)源：
閆汶琳,，吳凡等. 含硅負(fù)極在硫化物全固態(tài)電池中的應(yīng)用
科技日?qǐng)?bào)、同花順金融研究中心,、韓國(guó)《朝鮮日?qǐng)?bào)》等
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）
注：圖片非商業(yè)用途,，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除
