鋰電性能大突破在即？微米級(jí)硅基負(fù)極瓶頸已破 為低成本EV鋪平道路

在改善新一代鋰電池性能的競賽中，一些科學(xué)家將目光瞄準(zhǔn)了負(fù)極材料。硅的比容量高達(dá)4200mAh/g，是目前已知比容量最高的負(fù)極材料，亦是最常用的碳基材料的10倍以上，這使得硅基材料被視為下一代負(fù)極的理想“候選人”。

然而，由于硅材料在充放電時(shí)體積膨脹可達(dá)120%-300%，導(dǎo)致硅顆粒分化及SEI膜（固體電解質(zhì)界面）的增厚破裂，這將影響電池首充效率與壽命。SEI實(shí)際上就是陽極的一個(gè)保護(hù)層，它可以使電池在一段時(shí)間內(nèi)保持其穩(wěn)定性，并具有較長的壽命。

目前，納米結(jié)構(gòu)硅是解決上述問題的最常用方法，但它也帶來了一系列的缺點(diǎn)。這些問題包括供應(yīng)短缺，合成過程困難而昂貴，以及電池壽命極短等。而硅微米粒子（SiMPs）雖然能解決高成本的問題，但后者會(huì)放大其他缺點(diǎn)。因此，該技術(shù)的應(yīng)用也一直受到限制。

不過現(xiàn)在，日本北陸先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（JAIST）相信他們已經(jīng)找到了解決困擾SiMPs問題的方法。據(jù)報(bào)道，研究人員開發(fā)了一種合成新型高彈性SiMP的整體方法，這一新型微米級(jí)硅基負(fù)極由黑色玻璃（碳氧化硅）接枝的硅組成。

研究負(fù)責(zé)人Noriyoshi Matsumi表示，“硅納米粒子可能會(huì)提供更大的有效表面積，但它也有其自身的缺點(diǎn)，例如增加電解質(zhì)的消耗以及在幾次充電和放電循環(huán)后初始庫侖效率較差。”

“SiMP是最合適、低成本且易于獲得的替代品，尤其是與具有特殊結(jié)構(gòu)特性的材料（如碳氧化硅黑玻璃）結(jié)合使用時(shí)。我們的材料不僅表現(xiàn)出色，而且有利于大規(guī)模應(yīng)用。”他說。

據(jù)悉，上述研究成果已于近期發(fā)表在了《材料化學(xué)雜志》上。具體而言，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種核殼型材料，其核心由涂有碳層的SiMP組成。然后，他們將碳氧化硅黑色玻璃作為外殼層接枝。

測試表明，該材料具有很強(qiáng)的鋰擴(kuò)散能力，內(nèi)阻和整體體積膨脹降低。即使在經(jīng)過775次充放電循環(huán)后仍能保持99.4%的能量容量。此外，該材料在整個(gè)測試過程中表現(xiàn)出出色的機(jī)械穩(wěn)定性。

在科學(xué)家們看來，這些結(jié)果為硅在下一代鋰離子電池中的應(yīng)用開辟了新途徑。Matsumi指出，新工藝可以幫助彌合儲(chǔ)能領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)應(yīng)用之間的差距。這對(duì)于生產(chǎn)低成本電動(dòng)汽車尤為重要。

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