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来源:邦立威    2020-05-12    点击量:

锂离子电池硅基负极相关研究:

锂离子电池发展到今天,人们对于其能量密度的要求越来越高。硅基锂离子电池负极材料由于具有较低的氧化还原电位和高理论比容量,因此能够为全电池提供更高的能量密度。然而,硅负极在锂化/脱锂化过程中存在着严重的体积膨胀效应,这种剧烈的体积膨胀在每一周循环过程中都会持续发生对全电池的稳定性造成致命伤害。通常,人们采用在硅纳米颗粒表面构建缓冲层(如聚合物缓冲层、碳包覆层、液态金属包覆层等)的方法来体积膨胀。但是,这些缓冲层要么具有多孔特性无法阻止电解液的渗透、要么与硅颗粒之间相互作用太弱以至于承受不了体积膨胀而脱落。

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针对上述问题,艾新平教授团队认为,必须在硅纳米颗粒表面构建一层与硅存在键合作用的致密缓冲层,使其在体积膨胀过程中能够适应硅颗粒的体积变化不脱落,持续电解液与活性材料的接触以避免SEI反复成膜,这样才能够有效解决硅负极存在的问题。他们利用聚丙烯酸(PMMA)中的酯基官能团与硅纳米粒子表面Si-OH的键合作用成功地将PMMA包覆在表面,然后一步热解得到双核壳结构的Si@SiOx@C材料[4]。得益于外层致密的碳层对电解液的封闭作用和中间SiOx对体积膨胀的缓冲效应,这种复合硅负极能够实现1972mAh/g的高容量和长达500周的稳定循环。长期循环过程中高达99.5%的库伦效率说明Si@SiOx@C复合负极体积膨胀造成的活性物质消耗确实得到了很大程度的缓解。

图3 Si/PPP复合负极的制备过程示意图

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在上述致密键合性缓冲层思想的指导下,艾新平教授团队又用简单的机械化学方法制备了一种平面有序N掺杂导电聚合物包覆的复合硅负极Si/PPP(聚对苯)[5]。这种完全由芳香环组成的导电聚合物能够在Si颗粒表面以平面的方式紧密堆积键合,从而形成兼具电子电导、聚合物柔性和致密性的人工SEI层。这种Si/PPP负极的可逆比容量高达2387mAh/g,在循环500周后的容量保持率高达88.5%,长循环过程中平均库仑效率高达99.7%。
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