美中研发团队各推硅基材料改进新方案

2017-07-27 11:31

据外媒报道，由于硅的能量密度较高，因此其成为了一款极具吸引力的锂离子电池阳极材料。然而，在充电周期内，当电芯里的硅在与锂交互时，其膨胀收缩可达300%。而随着时间的推移，它会明显降低电池的性能、短路、并最终导致电池报废。为改进上述缺点并大体维持电池的能量密度，目前采用一氧化硅（SiOx, x ≈ 1）来制作锂离子电池的阳极。

硅基氧化物阳极的应用

硅基氧化物的可逆比容量（reversible specific capacity）较高，循环性能也有所提升。然而，该材质仍不可避免地出现体积改变，且导电性弱。目前已开展了大量的研究工作，旨在应对上述技术难题。如今，中国和美国的研究团队各自发表了研究结果，找到了两种新的改进方法。

美国团队的研究成果：非黏合性硅基氧化物/碳复合物

肯塔基大学（University of Kentucky）研究团队将硅基氧化物颗粒物与硫酸盐木质素（Kraft lignin）混合后，合成了一种高性能的非黏合性硅基氧化物/碳复合物（binder-free SiOx/C），用于制作锂离子电池的电极。经热处理后，木质素形成一种导电体（conductive matrix），可容纳大量的硅基氧化物颗粒，确保电子导电率（electronic conductivity）、连接性、适应锂化/脱锂反应（lithiation/delithiation）期间的体积变动。该材质无需采用常规的粘合剂或导电剂。

该复合材质制作的电极的性能表现极为出色。相较于体积变化率相对较小的硅基氧化物电极（160%）而言，其机械电化学性能较为出色，木质素碳素矩阵（carbon matrix）的弹性较大，可适应体积变动。

中国团队的研究的成果：微型SiOx/C芯壳（core–shell）复合物

中国研究团队则研发了一款高效的解决方案，制备微型SiOx/C芯壳（core–shell）复合物。该研究团队将柠檬酸（citric acid）与经球磨而制的硅基氧化物相混合使其碳化，随后就获得了一款质地均匀的SiOx/C芯壳复合物——SiOx微芯与柠檬酸碳壳（conformal carbon shell）。

碳壳大幅提升了硅基氧化物的电导率，缓和了适应锂化/脱锂反应期间的体积变化。采用SiOx/C复合物制作的电极，其可逆比容量为1296.3 mAh/g，库伦效率（coulombic efficiency）高达99.8%，充放电200次后，容量保持率在65.1%（843.5 mAh/g）。

据该研究团队透露，该复合物的放电效能极为出色，该方法可实现批量生产，具有成本效益，可大批量生产由SiOx/C复合物制作的高性能阳极材料。