硅碳高倍率鋰電池的缺點與改進方法

硅碳高倍率鋰電池作為下一代鋰離子電池具應(yīng)用前景的首選鋰電池，其中使用的硅以其4200 mAh g-1（對應(yīng)Li4.4Si）的理論比容量而備受矚目。硅碳高倍率鋰電池為了電動汽車及儲能器件對高容量鋰電池的需求，以硅基負(fù)極材料代替目前商用石墨負(fù)極已是大勢所趨。

硅碳高倍率鋰電池的缺點

硅碳高倍率鋰電池硅基材料在脫嵌鋰過程中會遭受嚴(yán)重的體積膨脹和收縮（形變量超過300%）。巨大的體積變化不僅導(dǎo)致了材料粉碎從而與集流體和電解液失去電接觸，同時也使得負(fù)極的固體電解質(zhì)界面膜（SEI）處于不斷碎裂和修復(fù)的動態(tài)過程，并不斷消耗正極材料的活性鋰。因此硅負(fù)極不盡人意的循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能常為人所詬病。

硅碳高倍率鋰電池在緩解硅負(fù)極材料體積劇烈變化的方法有以下三種：

• 減小硅顆粒尺寸，硅納米顆粒，硅納米線，硅納米管等納米級別的硅基材料可以緩解體積膨脹帶來的機械碎裂，但材料表面與導(dǎo)電介質(zhì)的接觸問題沒有得到改善，無法獲得良好的循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能。
• 調(diào)控及定制合適的導(dǎo)電介質(zhì)，通過設(shè)計與納米硅相匹配的納米導(dǎo)電介質(zhì)如碳納米材料等，與硅形成蛋黃-蛋殼型的包覆結(jié)構(gòu)來改善電接觸。但這種物理結(jié)合的方式在倍率性能方面表現(xiàn)不佳。
• 實現(xiàn)硅基材料與導(dǎo)電介質(zhì)的共價結(jié)合,通過成鍵的方式可以較好地保證材料與導(dǎo)電介質(zhì)的結(jié)合，但這類通過點與點相接的結(jié)合方式無法保證電荷的充分轉(zhuǎn)移，多次充放電循環(huán)后往往伴隨著性能的大幅下降。

通過二維共價包覆有效解決了硅基材料與導(dǎo)電介質(zhì)間接觸不良的難題，大大提高了離子和電子的導(dǎo)通率，在0.8 A g-1的電流密度下重量比容量高達2646 mAh g-1。而肌膚狀的包覆結(jié)構(gòu)使得硅碳之間結(jié)合更為緊實牢固，較好地緩解了硅基材料的體積膨脹，在后續(xù)的充放電循環(huán)過程中能長時間保持穩(wěn)定，500次循環(huán)后材料的可逆比容量仍高于石墨理論比容量的五倍。