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别开心太早,其实这类材料仍然是“物无完物”,最大的问题就是负极的充放电膨胀无法得到有效的控制。充放电后晶格体积膨胀达到了同样惊人的360%,而石墨负极膨胀最大为10%左右。
极片膨胀后导致负极粉化掉料,材料之间的粘结性变差,负极表面SEI重复破坏和生长,消耗大量电解液,生成越来越多的副反应,最终导致循环性能直线下降。
那么解决办法是什么呢?将Si纳米化、惰性缓冲以及表面包覆技术相结合。
第一种,硅碳复合负极材料
采用核壳结构,通过以球形人造或者天然石墨为基底,在石墨表面钉扎一层Si纳米颗粒,再在其外表包覆一层无定形碳或石墨烯。
碳包覆机理在于:Si的体积膨胀由石墨和无定形包覆层共同承担,避免负极材料在嵌脱锂过程因巨大的体积变化和应力而粉化。碳包覆的作用是:
(1)约束和缓冲活性中心的体积膨胀
(2)阻止纳米活性粒子的团聚
(3)阻止电解液向中心渗透,保持稳定的界面和SEI
此外从其他材料的配合上,开发合适的粘结剂来保持电极结构的完整性,开发合适的电解液体系来建立稳定的固液界面。
第二种,SiO复合材料
SiO是纳米Si均匀地分散到无定形的SiO2中形成的纳米复合材料,SiO的容量来自于分散在SiO2里面的纳米Si颗粒。SiO 负极材料的比容量为2400 mAh/g,实际可逆容量在1500mAh/g以上,并且其循环和膨胀性能也优于SiC符合材料。
硅复合材料另一个通病就是首次效率太低,一般不到80%,远低于石墨类负极材料。所以现在商业化的应用中只能和石墨混合使用,添加量在10%以下。如此可将负极首次效率提升至接近90%,可逆容量在600mAh/g左右,据悉Tesla 目前所用负极材料为SiO混合石墨体系。
4.Sn基复合材料
Sn类似于Si材料,都具有非常高的储锂容量,但由于其自身成本较高,对其进行包覆处理的均一性难度较大。本人认为与Si材料相比不具有优势。
参考资料:
2.炭材料在锂离子电池中的应用及前景
3.Possible Strategies to Enhance The Cyclability of Si-based Anodes
延伸阅读:
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