鋰離子電池硅基負(fù)極的技術(shù)挑戰(zhàn)

金 磊，宋廣生

（安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

0 引 言

鋰離子電池由于具有較高的能量密度、環(huán)境污染相對較小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于生活的各個方面。目前使用最廣泛的負(fù)極材料是硅基復(fù)合材料，具有高比容量、安全等優(yōu)點，但同時面臨眾多技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其是充放電過程中巨大的體積膨脹和脫鋰/嵌鋰過程中形成不穩(wěn)定的SEI膜和較低的ICE，嚴(yán)重影響電池的電化學(xué)性能和使用壽命。因此，本文將圍繞此話題展開分析并作相應(yīng)展望。

1 體積膨脹

硅基材料在使用過程中存在近300%的體積膨脹，膨脹過程中會產(chǎn)生巨大應(yīng)力，嚴(yán)重導(dǎo)致電極粉化，使得電池容量迅速衰減。究其原因，主要是電池工作過程中形成的晶態(tài)的鋰硅合金相Li15Si4造成了硅的體積膨脹，導(dǎo)致材料粉化[1]?，F(xiàn)有的解決途徑有：硅材料納米化、制造多孔硅以及結(jié)構(gòu)設(shè)計。硅顆粒尺寸達(dá)到150 nm級時可有效緩解體積膨脹[2]，且可縮短Li+的擴(kuò)散路徑，促進(jìn)Li+離子傳輸，有利于改善材料的電化學(xué)性能。而多孔硅內(nèi)部具有較多空隙可以包納反應(yīng)過程中的體積膨脹，且為Li+提供快速遷移的通道，有利于提高材料的倍率性能。結(jié)構(gòu)設(shè)計方面提出設(shè)計核殼結(jié)構(gòu)[3]、MOF結(jié)構(gòu)[4]以及蛋黃殼結(jié)構(gòu)等。三種途徑在實驗室研究中對體積膨脹以及導(dǎo)電性等改善效果顯著，均能有效緩解此問題。

2 不穩(wěn)定的SEI膜

SEI膜起到隔絕電解液與電極的作用。但是，由于硅基自身的體積膨脹以及Li+不斷的嵌入和脫出等，造成SEI膜層極度不穩(wěn)定，使得硅暴露出新的表面與電解液接觸，因而不斷消耗Li+用以形成新的SEI膜[5-6]而導(dǎo)致較低的首效。穩(wěn)定的SEI膜是保證鋰離子電池使用壽命的前提。必須擁有優(yōu)異的離子導(dǎo)通性和電子絕緣性，才能有效阻止不利副反應(yīng)的進(jìn)行[7]。解決此問題的方法有：減小硅基的比表面積、避免硅與電解液較多接觸以及通過無定形碳、石墨烯等碳材料進(jìn)行包覆。

3 首次庫倫效率低

硅基負(fù)極材料普遍面臨首效較低的困擾。首次庫倫效率可衡量鋰離子電池充放電能力的高低，關(guān)系著產(chǎn)品能否投入使用。首效過低的原因主要有兩個方面：一方面，由于硅基自身巨大的體積膨脹導(dǎo)致在合金化過程中電極材料粉化，使得大量Li+隨著電極材料一起流失，造成嚴(yán)重的不可逆的Li+消耗；另一方面，在低于1 V的工作電壓下，負(fù)極表面會形成SEI膜，不穩(wěn)定的SEI膜會在電解液中破壞并形成，導(dǎo)致鋰離子持續(xù)不斷消耗[8-9]，且硅材料表面積過大，使得情況更加嚴(yán)重。因此，首效過低的根源在于體積膨脹和不穩(wěn)定的SEI膜，改善它們便可以提高首效?，F(xiàn)有提高首效最有效的方法是預(yù)鋰化，通過直接補(bǔ)鋰并輔以其他方法使得首效更高。

4 結(jié) 論

硅基材料由于其高比容量成為最佳的鋰離子電池負(fù)極材料。通過介紹硅基負(fù)極材料普遍存在的三個問題，分析其產(chǎn)生原因及相應(yīng)的解決途徑。例如，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、包覆技術(shù)以及預(yù)鋰化等方法，明顯提高鋰離子電池的能量密度與循環(huán)性能等。但是，從目前硅基負(fù)極的實際情況來看，它還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足理想的商業(yè)化應(yīng)用。在未來的研究工作中，需要加大力度實現(xiàn)硅基負(fù)極材料應(yīng)用于實際生產(chǎn)，在解決高比容量和循環(huán)穩(wěn)定性的同時，保證較高的電極載量和振實密度，簡化硅基材料復(fù)合技術(shù)，探索簡單方便的工藝，滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求，使硅基材料能夠成功應(yīng)用于新能源及其他領(lǐng)域。