中國粉體網(wǎng)訊 隨著新型負(fù)極材料研究的深入，硅基負(fù)極日益受到關(guān)注，并且已經(jīng)邁出了商業(yè)化應(yīng)用的步伐。硅基負(fù)極的前景被大家看好，但是硅負(fù)極存在天然的缺陷，比如導(dǎo)電性差、體積膨脹等，嚴(yán)重限制了硅基負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用。
針對(duì)硅基負(fù)極存在的問題，研究者嘗試了很多改性策略。其中，表面包覆改性是有效手段之一。通常表面包覆層可以是堅(jiān)韌的，也可以是柔韌的，不僅需要能夠緩沖應(yīng)力，還要有優(yōu)良的導(dǎo)電性，為鋰離子和電解質(zhì)提供快速的轉(zhuǎn)運(yùn)通道，同時(shí)有著電化學(xué)穩(wěn)定，可以使得硅負(fù)極保持相對(duì)獨(dú)立，保護(hù)硅負(fù)極不受電解液的影響。表面的包覆層需要有效地緩解巨大的體積膨脹帶來的機(jī)械應(yīng)力，以提高負(fù)極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時(shí)能夠保證表面SEI膜可以穩(wěn)定存在。關(guān)于硅負(fù)極的包覆改性，碳包覆、金屬及金屬氧化物包覆、高分子聚合物包覆、石墨烯包覆等受到了廣泛關(guān)注和報(bào)道。
1、碳包覆
碳包覆的手段是目前改良Si和SiO負(fù)極原料電化學(xué)性能最常見且有效的方式。主要原因有以下幾點(diǎn)：①碳包覆層具有良好的導(dǎo)電性能，可以實(shí)現(xiàn)鋰離子的快速傳輸；②與其他無機(jī)包覆層相比，碳包覆層具有更好的韌性，可以很好的適應(yīng)體積膨脹引起的應(yīng)力變化，具有一定的延展性；③可以通過許多不同的方法或者前驅(qū)體簡單的制備獲得，具有大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的潛能；④能夠有利于形成穩(wěn)定的SEI膜。由于以上原因，有大量的研究者采用商業(yè)化SiO粉末和石墨或有機(jī)碳源為前驅(qū)體制備SiOx/C復(fù)合負(fù)極材料。
2、金屬及金屬氧化物包覆
金屬及其合金有著高彈性模量、高硬度等一系列優(yōu)良的機(jī)械性能，并且有著得天獨(dú)厚的優(yōu)良導(dǎo)電性。這些優(yōu)秀的性能在緩解納米硅循環(huán)過程中的膨脹效應(yīng)以及提升納米硅導(dǎo)電性能方面意義非凡。但是，金屬包覆層材料需要有著可以將鋰離子傳輸?shù)轿挥谥行奈恢玫墓璧哪芰�，同時(shí)包覆層又不能和鋰離子以及電池電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這些條件都對(duì)包覆層金屬的選擇提出了更高的要求。實(shí)驗(yàn)表明，金屬在改善電極的導(dǎo)電性以及給硅膨脹提供機(jī)械應(yīng)力方面有著顯著的效果，因此，各種不同的金屬材料被用來充當(dāng)硅的包覆層，例如金屬銅、金屬鋁、金屬鎂、金屬鎳、金屬鈷等等。
此外，金屬的氧化物由于其不良的導(dǎo)電性能，作為硅的包覆層后便可形成人工SEI的作用，防止硅與電解液的直接接觸，進(jìn)而減少電解液成分的損失，保持電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，提高硅負(fù)極的循環(huán)壽命以及庫倫效率。比如氧化鋁作為一種優(yōu)良的離子導(dǎo)體，將其作為硅負(fù)極的表面包覆層，不僅不會(huì)阻礙鋰離子的傳輸，還可以緩解硅負(fù)極材料在充放電循環(huán)中的龜裂問題，維持負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
3、高分子聚合物包覆
納米硅顆粒表面的包覆材料需要有著良好的導(dǎo)電性，這樣既可以提供支撐作用也可以改善納米硅顆粒的導(dǎo)電性能。導(dǎo)電高分子聚合物憑借著不錯(cuò)的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)良的導(dǎo)電性以及結(jié)構(gòu)的多變性常常被用來作為電極材料的包覆層。在硅表面附著堅(jiān)固且均勻的導(dǎo)電聚合物作為包覆層，以改善硅負(fù)極材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和相關(guān)的電化學(xué)性能是一項(xiàng)有意義的策略。聚苯胺、聚對(duì)苯、聚吡咯以及聚噻吩等高分子聚合物均有用在硅納米顆粒表面改性的方案中，高分子作為包覆層附著于納米硅表面，由于高分子的柔性，使得高分子包覆層不僅可以容納納米硅體積的膨脹變化，也能防止電解液直接滲透核心的納米硅中。
4、石墨烯包覆
石墨烯作為一種新型碳材料，憑借著其超大的比表面積、不可多得的導(dǎo)電性以及不錯(cuò)的機(jī)械柔性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于復(fù)合硅納米材料之中。石墨烯在與納米硅復(fù)合后，因?yàn)槠涮厥獾姆涓C狀網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)，不僅是電子的優(yōu)秀導(dǎo)體，也可以為鋰離子的運(yùn)輸提供快速通道。實(shí)驗(yàn)表明，作為優(yōu)良的二維結(jié)構(gòu)碳材料的石墨烯為在充放電進(jìn)程中膨脹收縮的納米硅提供了堅(jiān)實(shí)的骨架支撐以及較強(qiáng)的機(jī)械應(yīng)力，在幫助增強(qiáng)納米硅顆粒的電子傳導(dǎo)和鋰離子的輸運(yùn)等方面都有著很大的貢獻(xiàn)。
針對(duì)各類負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)與國內(nèi)外市場(chǎng)狀況，中國粉體網(wǎng)將于9月20-21日在青島舉辦2022先進(jìn)負(fù)極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇，旨在為負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)鏈上中下游企業(yè)搭建深度交流的平臺(tái)，開展產(chǎn)、學(xué)、研合作，助推負(fù)極材料行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。屆時(shí)，清華大學(xué)魏飛教授將作題為《包覆對(duì)硅基負(fù)極材料的影響》的報(bào)告，對(duì)硅基負(fù)極的包覆改性問題進(jìn)行詳細(xì)介紹。
專家簡介：
魏飛，清華大學(xué)化學(xué)工程系教授、博士生導(dǎo)師。長期從事流態(tài)化、多相反應(yīng)工程及碳納米管結(jié)構(gòu)控制與批量生產(chǎn)技術(shù)。致力于多相反應(yīng)器的新概念及新理論研究、研發(fā)用于煤及石油化工、納米材料、清潔能源化學(xué)品、環(huán)境等領(lǐng)域的新型過程及設(shè)備。國家杰出青年基金（1997）獲得者。北京市“綠色反應(yīng)工程與工藝”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。主持設(shè)計(jì)30余臺(tái)多相反應(yīng)器投入商業(yè)運(yùn)行，如2000噸/年納米聚團(tuán)流化床法碳納米管、60萬噸/年流化床甲醇制丙烯、3萬噸/年流化床法甲醇制芳烴及10萬噸/年流化床法苯胺，15萬噸/年下行床催化裂化等，研究成果獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（2002、2008年）、中石化科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（2001、2007年）、教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（2005、2015年）、發(fā)明一等獎(jiǎng)（2012年）。在《Science》《Nature》等雜志發(fā)表論文600余篇，出版專著4部，SCI引用50000余次，H因子97，是2016-2021克萊蒽材料領(lǐng)域高被引學(xué)者。
參考來源：
1、朱遠(yuǎn)超.納米硅表面的改性以及在鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用
2、巫資龍.碳包覆氧化亞硅負(fù)極復(fù)合材料的制備與性能研究
3、中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除！
