Small Methods:锂离子电池硅、锗、锡基负极材料:结构设计与电化学性能关系最新综述

smtd近年来,伴随着便携电子设备以及电动汽车的广泛应用以及迅猛发展,锂离子电池作为其主要的能量储存系统受到了广泛关注。其中,为满足便携式电子设备以及电动汽车在电能供应方面更高的要求,开发具有高能量密度、高功率密度以及长续航能力的高性能锂离子电池研究逐渐成为了科学研究的热点。而现有常规商品化锂离子电池所使用的石墨类负极材料,由于较低的理论容量(372 mAh/g),逐渐成为了限制锂离子电池电化学性能提升的关键因素之一。最近,具有更高储锂容量的合金储锂类负极材料(包括硅、锗、锡基负极材料)成为未来石墨类负极材料最具潜力的替代材料。但是,由于这类材料在电化学循环过程中会伴随着巨大的体积变化,使得电极材料经历严重的体积效应,从而导致电极材料粉化脱离集流体,造成电极容量快速的衰减,极大的限制了其实际应用。而在纳米尺度对于这类材料进行结构设计是一种有效的解决方法,可以实现对于体积变化效应的缓冲和保护,有效提高此类材料的电化学循环和倍率性能,充分展现了其在下一代高性能锂离子电池中良好的应用前景。

通过对于近几年相关开创性结果的分析,中国科学技术大学的余彦教授课题组以及加拿大工程研究院及皇家科学院院士、加拿大西安大略大学孙学良教授课题组合作,总结了锂离子电池硅、锗、锡基负极材料在结构设计以及电化学应用中的最新研究进展,重点讨论了这类负极材料纳米结构设计与电化学性能之间的关系。针对具有不同维度(零维、一维、二维以及三维)的纳米结构设计以及电化学性能进行了分析,通过调控材料的维度,可以实现此类材料循环稳定性大幅度的提升。除此之外,文章讨论了不同维度的纳米结构对于这类材料体积效应的缓冲作用、电子以及离子传输速度的影响。同时,文章也讨论了这类电极材料在未来研究中的挑战和机遇。在基础研究方面,循环过程中固态电解质膜(SEI)的稳定和破坏的原因探究,用于检测内部衰减机理的新型原位或非原位表征方法的建立,以及适合于这类电极材料的电解液和粘结剂的开发都还需要进一步的完善。在实际应用方面,实现这类电极材料低成本的工业化生产依然需要进一步的加快。另外,文章也同时指出这类电极材料的研究和发展将会使得下一代高性能锂离子电池的开发和应用取得更多的突破。相关文章发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201600037)上,本文的第一作者是中国科学技术大学的博士研究生李维汉,现为加拿大西安大略大学孙学良教授课题组博士后研究员。

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