Nano Select:微观细究——接触工程对硅负极性能的影响

下游应用产业的快速发展逐渐提高了对锂离子电池能量密度上限的要求,带动了锂离子电池活性电极材料研发的热潮。集多种优势于一身的硅负极材料被视为取代石墨负极的最佳选择。但是硅负极的应用前景依然受困于剧烈的体积膨胀和固有锂离子/电子传输能力差等因素。基于目前的研究,对其性能的改良主要集中于两个方面:包覆和纳米化。包覆壳层能够有效地隔绝硅材料与电解液的直接接触,避免副反应的进行和不稳定电解质界面膜的形成。采用力学性能和电学性能优的包覆层或框架材料能进一步提高复合阳极材料的结构稳定性和双电荷传输能力,极大程度上缩减了锂离子扩散距离,确保可逆反应的顺利进行和倍率性能的提升。同时硅粒子尺寸的缩减也可以缓解因体积膨胀产生的应力。尽管两种方案能够解决硅负极的大部分问题,同时也引入了新的问题:硅与包覆材料之间的接触工程(contact engineering)对电池性能的影响。

包覆结构的不同势必会构建出不同的核壳接触模式。由于在内部的硅核作为主要储锂场所,锂离子必须依靠核壳间的接触区域向硅核扩散,因此核壳间的接触工程直接决定着双电荷在复合材料内部的扩散能力,从而影响其电化学性能,也在一定程度上影响着倍率性能。厦门大学材料学院刘安华课题组综述了核壳间的接触工程对硅负极的影响规律, 相关结果发表在Nano Select(Doi: 10.1002/nano.202000174)上。在文中,作者根据核壳间接触模式将接触工程分为三种:面对面(F2F),线对线(L2L)和点对点(P2P)接触。F2F通常存在于核壳结构中。这种直接和紧密的面对面接触为锂离子和电子提供了丰富的核-壳扩散位点,同时具有扩散路径短的优点。并根据不同的结构特点细分为全面接触和部分面接触两种。L2L结构仅限于一维硅为核的一维中空复合结构。双组分和空隙设计的需要使核与壳之间的接触区域仅为一条线,而离子和电子则以该线作为传输点从外部传递到硅核。此外,一维材料具有柔韧性和可折叠性,可用于制备自支撑电极。P2P仅存在于0维 Si 和 0维涂层的蛋黄壳结构中,这也是由零维材料的几何形状引起的。在P2P结构中,锂离子和电子只能从有限的接触点扩散到硅核,这极大地影响了电化学反应的速度。幸运的是,通过对空腔内部结构的调控可以减小该缺陷的影响,比如文中提到的多点接触和桥连点接触模式。

锂离子电池的性能受到多种因素的影响,从制备工艺到材料微结构都是需要考虑的方面。对各种因素的全面理解可以更好地为硅阳极甚至是电池性能的优化提供思路。接触工程可以丰富这部分的理论。只有综合考虑这些因素,我们才能期望设计和制备出综合性能更优的硅阳极。探索每一种影响因素并加以改良与克服,是提高硅负极电化学性能,推动产业化的必经之路。相信接触工程的提出和总结能够为硅负极更全面和深入的研究带来新的突破口。相关论文“The influence of contact engineering on silicon‐based anode for li‐ion batteries”在线发表在Nano Select(Doi: 10.1002/nano.202000174)上。