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上海矽諾國際貿(mào)易有限公司 2020-11-19 點擊4481次
研究熱點與改進方向
研究熱點: 硅被認為是最有前景的負極材料之一,，其理論克容量可達 4200 mAh/g，超過石墨材料10 倍以上,，同時 Si 的嵌鋰電位高于碳材料,，充電析鋰風險小，更加安全,。目前硅基材料的研究熱點分為兩個方向,，分別是納米硅碳材料和硅氧( SiOx) 負極材料。
應用難題: ①脫嵌鋰帶來的巨大的體積膨脹和收縮而導致的顆粒破碎粉化及電極結(jié)構破壞,，造成電化學性能失效; ②由于膨脹收縮帶來的 SEI 膜不斷破壞重組,，持續(xù)消耗電解液和可逆鋰源導致電極容量衰減加速，充放電效率急劇降低,。
改進的方向: 針對以上問題,，學者們近年來不斷探索新方法改善硅負極材料性能，目前的主流方向是采用石墨作為基體,，摻入質(zhì)量分數(shù) 5%～10% 的納米硅或 SiOx組成復合材料并進行碳包覆，抑制顆粒體積變化,，提高循環(huán)穩(wěn)定性,。
3． 2 納米硅碳材料
材料設計: 最初納米硅碳材料研究主要聚焦于400～500 m Ah/g 的低容量方向,，材料結(jié)構主要有核殼型和包埋型兩種。李泓團隊在設計之初就考慮盡可能提高基體石墨含量,，緩解脫嵌鋰應變,，降低反彈; 另外，優(yōu)選表面包覆劑種類,、含量和燒結(jié)工藝,，提高包覆層完整性，引入液相分散工藝,，提高分散均勻性,，更好的發(fā)揮納米硅尺寸效應。
優(yōu)化電池化學體系: 除材料設計以外,，還通過研究粘結(jié)劑,、導電劑和電解液優(yōu)化電池化學體系，400m Ah/g 硅碳材料 600 次循環(huán)容量保持率 80% 以上,，在此基礎上,，通過優(yōu)化顆粒結(jié)構，開發(fā)高功率型材料,。目前業(yè)內(nèi)使用低容量材料制成的鋰離子電池已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn),，但從實際結(jié)果來看，對電池比能量提升極為有限,。
摻雜納米硅制備工藝: 高容量硅碳負極由于石墨含量少,，研究重點在于硅顆粒體積膨脹帶來的循環(huán)穩(wěn)定性和充放電效率差的問題，同時還需應對分散困難和加工性能差的新問題,。李泓課題組從原材料出發(fā),，開發(fā)了一套低成本、高效率的摻雜納米硅制備工藝,，輔以氣相包覆手段,，降低了材料比表面積，改善了其表面特性和加工性能,。與石墨摻混制成500 mAh/g 的負極材料,，在應用過程中適當降低壓實密度，500 個循環(huán)容量保持率可達 80% ,。
復合材料的制備工藝: 李泓團隊還研發(fā)出一種大規(guī)模硅碳復合材料的制備工藝,，采用微納復合結(jié)構，使納米硅均勻分散在三維導電網(wǎng)絡中,。與寧波材料所合作,，經(jīng)與石墨摻混制成 600 mAh/g 的負極材料，正極選取富鋰相材料，研制出的軟包電池能量密度高達 374 Wh/kg,。
3． 3 SiOx材料
補鋰: SiOx材料可逆容量高達 1500 ～ 2000mAh/g,，同時其嵌鋰過程中的體積膨脹僅為 120%( 納米硅材料可達 300% 以上) ，從而極大地提升了Si 基材料的循環(huán)壽命,。然而 SiO 材料 Li 在首次嵌入的過程中,，會生成沒有電化學活性的 Li4SiO4，導致 SiOx材料的首次效率遠遠低于石墨和硅碳材料,，這也成為了 SiOx材料應用的主要障礙,，因此，針對SiOx材料的研究主要集中在如何降低首次不可逆容量上,。研究人員為此開發(fā)出不同的補鋰方法,，試圖補償首次充電過程負極消耗的活性鋰。
造粒: 復旦大學 YUZHANG 等人通過球磨的方法將 SiO,、Mg O 和 Si 材料進行研磨混合得到納米尺度的顆粒,，并利用噴霧干燥進行造粒，制得的復合材料中的 MgO 成分與 SiOx材料中的 SiO2反應生成MgSiO3,，大大減少首次嵌鋰的不可逆損失,，SiOx材料的首次效率提升 8% 以上。該材料的制備方法簡單高效,，具有規(guī)?；a(chǎn)的潛力［7］。
鋰離子預嵌入: ZHAO 等人報道了采用惰性金屬鋰粉( SLMP) 直接均一地分散在硅氧電極表面,，經(jīng)輥壓活化和電解液的浸潤,，SLMP 脫出鋰離子預嵌入硅氧電極，大大提高了首次庫倫效率和放電比容量［8］,。
電化學預鋰: CHOI 課題組［9］開發(fā)出一種精確的電化學預鋰化方法,，采用外電路短路的方式，其預鋰化程度和電壓可以實時監(jiān)測,，因此嵌鋰量可有效控制,，避免鋰沉積，隔膜的存在,，有助于均勻嵌鋰,，形成穩(wěn)定的 SEI 膜。經(jīng)預鋰化后,，與 NCA 組成全電池首次庫倫效率可達 85.34% ,，循環(huán)穩(wěn)定性也有改善。
研制方向: SiOx材料的預鋰化工藝由于對環(huán)境的高要求,，還停留在實驗室階段,，無法規(guī)?；瘧谩Ｒ虼撕罄m(xù)的研究重點將主要集中在正極材料預鋰化和 SiOx材料制成預鋰化等方向,。