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锂电池阳极材质膨胀难攻克美中研发团队各推

2018-09-17 23:00:22 作者: 0人读过 | 我要赞

锂电池阳极材质膨胀难攻克 美中研发团队各推出新方案

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

锂电池阳极材质膨胀难攻克美中研发团队各推

,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。

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