【写作竞赛】一种可实用化的新型纳微米结构的硅碳复合材料:硅基高容量锂离子电池负极材料新进展

随着环境污染及能源危机的日益严重,环保型的电动汽车受到越来越多的关注。目前各类电池中,锂离子电池最有可能作为电动车的动力电源。然而作为动力电源必须满足以下条件:高能量密度、高功率密度、低成本及长循环。传统的商业化锂离子电池已经不能满足要求。所以开发新型锂离子电池需要寻找新的满足要求的电极材料。

近年来,硅作为高能量密度(4200 mAh/g)的锂离子电池负极材料受到越来越多的关注。然而其充放电过程中巨大的体积变化导致其容量迅速衰减,不能满足商用化要求。纳米级硅材料虽然可以有效缓解其容量衰减,但其低振实密度、高制备成本及低产率阻碍其商业化应用。

最近,美国宾州州立大学机械与核能工程系王东海课题组采用一种简单的工艺制备了一种特殊的硅碳复合材料。该材料是在微米级大块硅中刻蚀出联通的纳米级孔道,并在孔道中填充导电的碳材料。这种纳微米结构有效地解决了微米及纳米硅材料在充放电中的问题,表现出优异的电化学性能。在1 A/g的电流密度下,充放电200圈后仍可保持1459 mAh/g的可逆容量。12.8 A/g的电流密度下,仍有700mAh/g的可逆容量。该材料优异的性能源于纳米级硅颗粒和碳组成的三维联通的孔道网络。由于制备工艺简单该材料可大规模生产大大降低了成本,而且还有较高振实密度(0.78 g/cm3),所以这种新型的硅碳复合材料极有可能大规模实用化。

该研究开发了一种简单的硅碳复合材料的制备工艺,合成的纳微米结构硅碳复合材料表现出优异的电化学性能。该材料制备成本低,可大规模生产,为硅材料的商业化生产提供了新的契机。