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，以硅基負極材料代替目前商用石墨負極已是大勢所趨。

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。