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(fù)極技術(shù)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(fù)極技術(shù)迫在眉睫。
硅負(fù)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(guān)注，是最具潛力的下一代鋰離子電池負(fù)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(yīng)及較低的電導(dǎo)率限制了硅負(fù)極技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。
有鑒于此，近日，韓國蔚山國立技術(shù)研究所(UNIST)的Jaephil Cho、Hyun-Wook Lee和斯坦福大學(xué)的崔屹教授合作，綜合了石墨負(fù)極技術(shù)和硅納米技術(shù)，通過化學(xué)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(fù)合負(fù)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(tuán)隊制備了一批5 kg的材料，比容量可達(dá)517 mAh/g，首次庫倫效率92%，有望應(yīng)用于實際工業(yè)生產(chǎn)中。
圖1 SGC復(fù)合負(fù)極材料結(jié)構(gòu)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(xué)氣相沉積得到碳-納米硅-石墨復(fù)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(fù)合材料的膨脹率只有38%，遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jī)械混合中石墨粉和殘留的硅顆粒引發(fā)的嚴(yán)峻的副反應(yīng)。
圖2 各種電極的電化學(xué)性能表征
圖3 石墨負(fù)極和SGC復(fù)合負(fù)極全電池性能對比
隨后研究者又進(jìn)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(fù)合負(fù)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(dá)96%。
進(jìn)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(fù)合材料，有望取代現(xiàn)有的石墨負(fù)極，成為新一代商用鋰離子電池負(fù)極材料。
