為什么硅碳棒是最有前途的鋰電池陰極

新能源汽車(chē)類(lèi)日益火爆，吸引了大批國(guó)內(nèi)外企業(yè)紛紛前往“戰(zhàn)場(chǎng)”，新的鋰錳酸技能似乎綻放出奪目的色彩。技術(shù)創(chuàng)新固然可喜，但尋找性?xún)r(jià)比更高、存儲(chǔ)容量更大、價(jià)格動(dòng)力更強(qiáng)的新原始數(shù)據(jù)是提高行業(yè)終端降低成本、提高效率能力的根本原因。

 

硅是目前發(fā)現(xiàn)的比容量(4200mAh/g)最高的鋰離子電池負(fù)極數(shù)據(jù)，是目前最有潛力的負(fù)極數(shù)據(jù)，但硅作為鋰電池負(fù)極使用也存在一些瓶頸，首先是硅在應(yīng)對(duì)批量膨脹的問(wèn)題。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明，無(wú)論是鋰包埋還是退泥都會(huì)引起體積變化，體積變化為320%。所以無(wú)論你把什么數(shù)據(jù)放在一起，在微觀(guān)層面，在原子或納米尺度的硅上，它都會(huì)膨脹300%。在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)中必須考慮大量的更改。在大體積數(shù)據(jù)的局部力學(xué)問(wèn)題上，經(jīng)過(guò)一系列的基礎(chǔ)研究證明，它會(huì)開(kāi)裂，形成嚴(yán)重的跌落。

 

硅的體積膨脹有許多后果

 

1. 顆粒粉碎，循環(huán)功能差

 

2. 活性物質(zhì)與導(dǎo)電粘結(jié)劑接觸不良

 

第二個(gè)問(wèn)題是硅表面的SEI膜厚且不均勻，受溫度和添加劑的影響較大，會(huì)影響鋰離子電池的整體比能性能。

 

石墨因其導(dǎo)電性能特別好，相對(duì)來(lái)講SEI膜比較均勻，其組成不像硅負(fù)極一樣。為了研究這個(gè)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院的科學(xué)家們制作了模型，這些模型被微加工成硅納米線(xiàn)。為了研究該數(shù)據(jù)充放電過(guò)程中SEI膜的生長(zhǎng)情況，我們發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，SEI膜逐漸填補(bǔ)了硅柱中心的空隙，覆蓋后繼續(xù)生長(zhǎng)約4.5m。如果不處理添加到硅表面，SEI膜可以長(zhǎng)得非常厚。這意味著它是多孔的，溶劑總是能夠接觸到硅的表面，這是不可能的全電池規(guī)劃。如何解決這個(gè)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院的科學(xué)家們已經(jīng)做了一些嘗試在硅上做碳涂層。相比之下，我們只在硅上做了部分石墨烯涂層，其他地方則是自由的。最后發(fā)現(xiàn)，包膜和未包膜SEI膜的生長(zhǎng)條件不同，碳包膜的SEI膜明顯減少，而未包膜的SEI膜有很多。

 

從長(zhǎng)期的基礎(chǔ)研究，經(jīng)過(guò)納米硅粉;硅碳涂層;可以有效地解決硅在鋰電池負(fù)極使用中的問(wèn)題。無(wú)論是納米硅碳還是硅碳，硅都力求做到以下幾點(diǎn):

 

硅顆粒尺寸:< 20nm(理論上越小越好)

 

均勻性:標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5nm

 

純度:> 99.95%

 

痕跡:100%球形比例

 

 

 

此外，一個(gè)完整的外部涂層是非常重要的，以防止硅和電解質(zhì)接觸，導(dǎo)致厚SEI膜的消耗。同樣重要的是要計(jì)劃微結(jié)構(gòu)，以保持電子接觸，離子通道，體積膨脹在周期。

碳包覆的機(jī)理在于Si的體積膨脹是由石墨和非晶包覆共同支撐的，從而避免了在去除埋置鋰的過(guò)程中由于體積變化大、應(yīng)力大而導(dǎo)致負(fù)極數(shù)據(jù)的劣化。碳包層的作用是:

 

(1)約束緩沖活動(dòng)中心體積增大

 

(2)防止納米活性粒子的聚集

 

(3)防止電解質(zhì)向中心滲透，保持穩(wěn)定的界面和SEI

 

(4)硅數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)高的比容量，碳數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)高的電導(dǎo)率