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下一代锂电池负极材料:硅负极

下一代锂电池负极材料:硅负极

导读: 提起硅负极你想到的是什么呢?大容量、高体积膨胀?硅负极作为新一代的锂离子电池负极材料,其容量较高可达4200mAh/g,是石墨负极材料的10倍以上,是颇具希望的下一代锂离子电池负极材料。

OFweek锂电网讯 提起硅负极你想到的是什么呢?大容量、高体积膨胀?硅负极作为新一代的锂离子电池负极材料,其容量较高可达4200mAh/g,是石墨负极材料的10倍以上,是颇具希望的下一代锂离子电池负极材料。

下一代锂电池负极材料:硅负极

在这耀眼的光环下,硅负极也存在着难以克服的缺点,这主要源于硅负极在嵌锂过程中严重的体积膨胀,在完全嵌锂状态下,硅负极的体积膨胀可达300%,这会造成材料颗粒的粉化和脱落,严重影响其电化学性能。人们竭力减少硅负极材料的体积膨胀,例如纳米颗粒、薄膜电极、碳包覆处理等方法,都是人们为克服硅负极膨胀所做出的努力。体积膨胀对于锂离子电池是一个坏消息,但是让我们换个角度考虑一下,硅负极巨大的体积膨胀是不是还有一些特使的用途呢?

下一代锂电池负极材料:硅负极

清华大学的Jialiang Lang等人就利用了硅负极在充放电过程中的体积膨胀开发了一款“微型起重机”。该“微型起重机”实际上是一个软包锂离子电池,其正极采用了体积变化很小的LiFePO4材料,而负极使用了硅负极材料,电池容量为2.1Ah。并利用该电池进行了“举水实验”,在实验中该电池通过充电“举起”了637.5g的水,在完全充电状态下电池膨胀所产生的压强达到了25.8KPa,在后续的循环过程中产生了平均21KPa的压力。后续的研究表明,该电池能够产生的较高压力可达17MPa。在整个充放电电压平台期间,该电池可以持续产生10MPa以上的压力。在该过程中,充电产生的能量分为3部分,一部分转化为机械能,一部分转换为化学能储存在电池中,一部分则转化为热能耗散了。

下一代锂电池负极材料:硅负极

当然对于一款意在将电能转换为机械能的设备,快速的响应的能力自然是十分重要的,Jialiang Lang对电池在快速充放电模式下,体积膨胀的响应速度进行了研究。研究表明电池膨胀对脉冲电流有着很好的响应速度。并且膨胀距离与充电时间基本呈现线性关系,在2A/g的电流密度下,膨胀速度为1.6nm/s,因此该方案可以用于纳米精度的定位。电池的膨胀速度主要与硅负极的面密度、电池厚度和电流密度相关,因此在电池定型的前提下,我们可以通过控制电流的方式来控制电池的膨胀速度,从而达到我们所需要的控制精度。在该研究中,Si负极的容量发挥仅为800mAh/g,因此该“微型起重机”还有很大的提升空间。该“微型起重器”能够精确的产生纳米尺度的位移,并能承受巨大的负载,因此可以应用在一些需要在纳米级高精度定位的领域,例如操作扫描隧道显微镜的探针等。反其道而行之,往往能取得不错的效果。

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