硅碳高倍率鋰電池的缺點(diǎn)與改進(jìn)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(duì)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(dòng)汽車及儲(chǔ)能器件對(duì)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(shì)所趨。

硅碳高倍率鋰電池的缺點(diǎn)

硅碳高倍率鋰電池硅基材料在脫嵌鋰過(guò)程中會(huì)遭受嚴(yán)重的體積膨脹和收縮（形變量超過(guò)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(shí)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(dòng)態(tài)過(guò)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(jí)別的硅基材料可以緩解體積膨脹帶來(lái)的機(jī)械碎裂，但材料表面與導(dǎo)電介質(zhì)的接觸問(wèn)題沒有得到改善，無(wú)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(guò)設(shè)計(jì)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(lái)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(shí)現(xiàn)硅基材料與導(dǎo)電介質(zhì)的共價(jià)結(jié)合,通過(guò)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(guò)點(diǎn)與點(diǎn)相接的結(jié)合方式無(wú)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(guò)二維共價(jià)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(dá)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(shí)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(guò)程中能長(zhǎng)時(shí)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。