美研究人员首次实现了一种新型硅负极的电化学嵌锂

as来自亚利桑那州立大学的Candace K. Chan教授和李颖博士以及他们的合作者首次实现了一种新型硅负极的电化学嵌锂。他们研究了基于Ba8AlySi46−y I型硅的笼型化合物的储锂性质,该成果最近发表在Advanced Science

为了减少化石燃料的气体排放,满足对高能高功率日益增长的需求,可充电锂离子电池已经改变了随处可见的移动电子设备,作为电动车的主要动力来源更是吸引了广泛的注意力。为了研究更高能量密度的可充电锂离子电池,硅材料已经被广泛深入的研究,由于它可以储存大量的锂,达到3579 mAh g−1,远远高于基于石墨的商用负极的372 mAh g−1。然而,由于在重复充放电过程中的结构塌陷,导致硅负极的实际应用受到了阻碍。

科研人员为了克服这个问题付出了大量的努力。研发了很多不同的纳米结构,例如通过减少嵌锂引起的应变从而避免结构塌陷。然而,纳米材料的比表面积导致了额外的副反应。低振实密度和不易量产也是纳米材料的常见问题。因此,研发在嵌锂过程中结构变化小的新型负极材料非常重要。

硅的笼型化合物是由共价键结合的硅形成的笼状框架结构,外来原子可以出入结构之间的巨大空隙。该材料在超导和热电方面的应用已经取得了一定的进展。但到目前为止,对这类型材料的电化学性能和反应机制认识还非常少。

研究人员采用了不同的方法来制备硅的笼型化合物,包括管式炉和实验室用电弧熔炼炉。同时也采用了工业用的大型真空电弧熔炼炉来制备该材料。在三种方法中,通过易于产业化的工业用大型真空电弧熔炼炉制备的材料拥有最好的电化学性能。

根据电化学分析,科学家们提出嵌锂拔锂过程是以固溶体单相反应进行的。该团队还发现硅的笼型化合物即使在嵌入大量锂后(电化学嵌锂最高到44,化学嵌锂最高到53),并没有出现结构或者体积变化。核磁共振和X射线粉末衍射分析证实了硅的笼型化合物并未转化成其他晶像。电化学分析也证实了硅的笼型化合物没有转化成无定型硅或者其他锂的硅化物。观察到的性质与传统晶体硅的嵌锂行为有明显不同,没有出现无定型相或者是极大地体积变化。这些结果表明硅的笼型化合物有望成为下一代可充电锂离子电池负极材料的选择。

该研究结果首次展示了I型硅的笼型化合物作为可充电锂离子电池负极的潜力。该研究中比容量受到了作为概念验证而采用的高分子量的钡的限制。然而,未来合成和表征其他元素体系的硅的笼型化合物可以得到更高比容量的负极,因而适应大规模生产的商业应用。