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终于等到你——硅负极失效机理研究

导读: 石墨类负极的理论比容量只有372mAh/g,已经不能适应如今锂离子电池对高比能的要求,面对这一局限,众多新材料陆续出现,其中硅负极材料是最有希望的负极材料之一。

  石墨类负极的理论比容量只有372mAh/g,已经不能适应如今锂离子电池对高比能的要求,面对这一局限,众多新材料陆续出现,其中硅负极材料是最有希望的负极材料之一。当Si与Li形成Li4.4Si结构时,理论比容量可以达到4200mAh/g,当然如此高的容量自然是要付出代价的,充电状态的Si负极体积膨胀可以达到300%,这成为了阻拦在Si负极应用路上最大的障碍。为了克服这一困难人们也做了很多努力,Si纳米颗粒,石墨复合,薄膜电极,SiOx材料等,这些材料在体积膨胀方面都得到了一定的改善,特别是SiOx材料,是距离成功最近的负极材料━体积膨胀有了明显的改善。但是这些材料相比于石墨材料,还是存在循环寿命不足的问题,下面我们就一起探讨一下Si负极的失效机理。

终于等到你——硅负极失效机理研究

  硅负极的失效很大程度上是由于在硅嵌锂和脱锂的过程中巨大的体积膨胀造成Si颗粒产生裂纹和破裂造成的。为了降低硅负极的体积膨胀,人们开发了SiOx材料,相比于纯Si材料,其体积膨胀明显降低,其与C复合材料是一种性能较好的硅负极材料,也是目前实际应用较多的一种硅材料,但是该材料在实际使用中仍然存在硅负极失效的问题,研究发现失效与Li+嵌入速度和电解液种类,更为关键的是与Si负极的微观结构有密切的关系。

  实际是我们所说的SiO并不是纯的SiO而是Si和Si的多种氧化物的复合物。生产中SiO是利用Si和SiO2在真空中高温反应而成,但是SiO在热力学上是不稳定的,在1000-1400℃下会发生歧化反应,生成Si和Si2O3,STEM观察也发现无定形SiOx中非均匀的分布着一些无定形纳米Si。此外由于高温的作用,在SiOx中还存在着一些结晶Si,因此我们实际使用的Si具有多种Si的形态。理论研究发现,SiOx嵌锂动力学特征与Si材料并不相同,Li嵌入到SiOx中,会形成多种化合物,例如Li2O,Li2Si2O5,Li2SiO3,Li4SiO4等,而且这一过程是不可逆的,这些锂硅化合物会成为Si负极体积膨胀的缓冲带,抑制硅负极的体积膨胀,但是这种缓冲作用是有限的,不能完全保证SiOx材料的循环性能。

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