Small Structures:硅基负极——下一代高能量密度锂离子电池负极材料

对于电动汽车和便携式电子设备用高能量密度锂离子电池来说,电极材料是最关键的组分。目前,锂离子电池的主要商用负极为石墨负极,其容量发挥已经接近理论比容量(372 mAh/g),因此,开发更高比容量的负极材料迫在眉睫。由于硅基负极具有丰度高、环境友好、成本低、容量高(3579 mAh/g)、工作电压低(~ 0.4 V vs. Li+/Li)等优点,是目前最有前途的高能锂离子电池负极材料之一。然而,硅基负极材料导电性差、体积变化大、固电解质界面膜不稳定等因素阻碍了其广泛应用。在过去的十年中,研究者们已经做出了巨大的努力来解决面向工业应用的挑战。

中科院金属研究所李峰研究员和季华实验室谭军研究员针对硅基负极存在的问题和挑战,系统地阐述了硅基材料的改性策略,包括结构设计、探索各种新型聚合物粘结剂,改进电解液、不同的预锂化策略和硅/石墨复合。为满足商业化要求,特别总结了面积容量、初始库伦效率和成本方面的进展。总而言之,硅基负极虽取得了很大的进展,但仍有提升空间,特别是大规模的工业应用方面,因没有一种策略可同时解决所有问题。对于硅基材料的未来发展方向,是首次库伦效率,高面容量,同时低成本。我们应致力于以下方面:

(1)化学方法(氧化和蚀刻工艺)与热化学热解相结合可能成为硅基负极工业化的可行途径。以光伏废硅作为原材料,可满足低成本、高产量的要求。

(2)开发有效可控的硅/石墨材料制造技术,以获得低膨胀和长循环寿命电极。

(3)对于粘结剂,采用丰富官能团(如-OH,-COOH,-NH2)的聚合物粘结剂促进化学相互作用,以实现高粘附强度和离子电导率,提高长循环稳定性。

(4)研究更符合商业需求的高容量硅基材料用新型电解液和电解液添加剂。

与其它方案相比,通过硅/石墨复合方案,具有特殊的优势,如高首次库伦效率,低电极膨胀,良好稳定性。此外,通过先进的结构设计、更可控的石墨混合技术、新型粘结材料,可靠的电解液,将可实现更低的电极溶胀率、更高的面容量和更低的硅基材料成本。

此项报道将会为硅基负极材料的实用化研究提供了方向,期待高能量密度和功率密度的硅基锂离子电池将被制造。

论文信息:

Challenges and Recent Progress on Silicon-Based Anode Materials for Next-Generation Lithium-Ion Batteries

Chengzhi Zhang, Fei Wang, Jian Han, Shuo Bai, Jun Tan*, Jinshui Liu, Feng Li*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100009

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100009