鋰電池硅碳負(fù)極材料現(xiàn)狀怎么樣？

鋰電池使用Si材料做負(fù)極，理論上具有超高的理論比容量3590mAh/g和較高的工作電壓，被認(rèn)為是最有希望替代商業(yè)用石墨的負(fù)極之一，且資源豐富，環(huán)境友好 。然而，目前鋰電池使用Si負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用受到多重阻礙。主要原因是Si在完全脫鋰后體積變化較大，在反復(fù)的嵌鋰/脫鋰過(guò)程中產(chǎn)生膨脹/收縮應(yīng)力，導(dǎo)致Si材料發(fā)生嚴(yán)重?cái)嗔?。這導(dǎo)致Si表面形成不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜，不斷消耗電解質(zhì)，從而導(dǎo)致快速的不可逆容量損失和較低的初始庫(kù)侖效率。此外，Si固有的低電導(dǎo)率和低鋰離子擴(kuò)散系數(shù)，也顯著影響Si電極的倍率性能和庫(kù)倫效率。這些問(wèn)題必須在硅電極的實(shí)際應(yīng)用之前得到解決。

在過(guò)去，人們致力于提高硅基負(fù)極材料的電化學(xué)性能。通常是將硅的顆粒尺寸減小到納米級(jí)或者具有非晶結(jié)構(gòu)特征時(shí)，這樣可以釋放由于體積變化過(guò)大而引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。然而，納米硅顆粒具有較大的表面能，容易發(fā)生團(tuán)聚從而導(dǎo)致容量的衰減，從而抵消了納米顆粒的優(yōu)勢(shì)。除此之外，僅通過(guò)Si納米化對(duì)導(dǎo)電性差的問(wèn)題也無(wú)明顯改善。因此，將Si與其他材料通過(guò)合適的制備方法進(jìn)行復(fù)合得到硅基復(fù)合材料，利用其他材料的物理特性來(lái)改善單質(zhì)硅的電化學(xué)性能。

其中，較為理想的方法是將納米硅顆粒與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且導(dǎo)電性能優(yōu)異的基體材料復(fù)合，在充分發(fā)揮硅材料高容量的同時(shí)，用基體材料緩解硅的體積膨脹效應(yīng)并提供電子和鋰離子的傳輸通道。硅基復(fù)合材料是高容量鋰離子電池負(fù)極材料的重要發(fā)展方向，目前大量的研究工作集中在硅/金屬?gòu)?fù)合材料，硅/碳復(fù)合材料以及二者的有效結(jié)合上。

目前，無(wú)論惰性金屬還是活性金屬作為基體材料與硅復(fù)合，對(duì)鋰電池整體電極的循環(huán)穩(wěn)定性提升的效果均不明顯，且大部分金屬的價(jià)格較高。碳類材料具有優(yōu)異的柔韌性、導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度和循環(huán)穩(wěn)定性，且來(lái)源豐富、成本低。大量研究工作表明，石墨、碳納米管、石墨烯和氧化石墨烯等碳材料，均可以通過(guò)不同制備方法與硅復(fù)合，有效地緩解硅的體積膨脹效應(yīng)，并提高鋰離子和電子導(dǎo)通性，有效改善其電化學(xué)性能。因此，硅/碳復(fù)合材料一直是硅基復(fù)合材料的主要研究方向，也是目前鋰電池研究發(fā)展的方向之一。