【写作竞赛】库仑效率高于99.99%,循环达1500圈的单质硅锂离子电池负极材料

单质硅具有高容量(理论容量4200 mA h/g),低充放电电位被认为是最有前途的锂离子电池负极材料,特别是未来电动汽车理想的负极材料。然而单质硅具有很差的循环性能以及库伦效率从而限制了这一材料的商用。最近的研究发现造成硅循环性能和库伦效率很差的原因主要是以下两点:1)充放电过程中体积变化大(高达400%),从而导致这种材料非常容易破碎,并且破坏电极结构的完整性。2)普遍使用的锂离子电池电解液易于在硅表面形成不结实的固体电解质界面(SEI)膜,这种SEI膜在循环过程中不断破坏长大从而导致了很差的循环性能。尽管最近单质硅材料在锂电上的应用研究获得了很大的进步,但是长循环稳定性以及高库伦效率的同时获得却仍然没有实现。

 法国原子能委员会新能源技术与纳米材料实验室的Frédéric Le Cras博士的课题组最近通过物理挥发沉积(PVD)技术成功制备出了全固态锂离子微电池。正极所用材料为单质硅,负极使用金属锂,固态电解质使用硼掺杂的氮氧化磷锂(LiPONB),其电极结构如图一所示。 这种微电池获得了非常优异的电学性能。在100%深度放电时,可稳定循环1500圈,并且库伦效率始终高于99.99%。作者发现这一优秀性能的获得主要归因于循环过程中不被破坏的硅膜(解决了体积膨胀问题)以及全固态电解质LiPONB(避免了SEI膜的形成)的使用。这一工作为未来电动车用硅负极材料的改进以及动力电池的设计提供了非常有价值的理论与实验支持。相关研究结果发表在Advanced Functional Materials.