多元、多相含硼SiOx复合负极材料构筑高性能锂离子电池

随着人类社会的发展,对于能源的需求日益增加。锂离子电池作为目前主要的电化学储能器件,已广泛应用于便携式电子设备领域。但随着新能源汽车,特别是电动汽车的迅猛发展,以石墨为负极的传统锂离子电池由于低的能量密度,难以满足市场的需求。因此,开发具有更高能量密度和更长循环稳定性的锂离子电池迫在眉睫。

电极材料对锂离子电池的电化学性能具有决定性的影响。对于负极材料而言,硅(Si)材料因为理论比容量高、放电电压低、资源丰富等优点,被认为是最具潜力的新型高容量锂离子电池负极材料,备受关注。但Si在脱/嵌锂过程中巨大的体积变化,使得颗粒粉化严重,电池循环性能极差,这严重阻碍了Si负极的商业化应用。一氧化硅(SiO)作为硅的氧化物,因其独特的组成和结构,在充放电过程中的体积变化明显小于纯硅,但相较于石墨负极,其体积变化问题仍有待于进一步改善。通过表面包覆抑制Si负极材料嵌锂时的体积膨胀是提高其循环稳定性的有效方法。

近期,浙江大学材料学院刘永锋教授等通过简单的加热反应,制备了类核壳结构的新型多元、多相含硼SiOx复合物,以其为负极活性材料,构建了具有高能量密度、长循环稳定性的锂离子电池。研究者利用SiO和LiBH4作为原料,加热至550˚C,成功获得了由非晶/纳米晶Si、SiOx、B、B2O3和Li2SiO3组成的复合物。研究表明,原位生成的B、B2O3和Li2SiO3分布在产物颗粒的表面,形成类核壳结构,显著提高了材料的力学强度,从而有效地抑制了活性材料在脱嵌锂过程中的体积变化,阻止了颗粒的粉化与脱落,稳定了表面SEI膜,因此,多元、多相含硼SiOx复合物的电化学储锂性能较原始SiO明显改善。实验结果表明,由SiO–0.3LiBH4混合物制备得到的产物在100 mA g1的电流密度下,首次放电容量达1898 mAh g1,首次库伦效率为77.1%;在100次充放电后,容量保持率高达81%,是原始SiO的两倍以上。该成果发表在Advanced Materials Interfaces上(DOI:10.1002/admi.201801631)。