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2021-06-01

下一代鋰電池負極材料:硅負極

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        下一代鋰電池負極材料:硅負極

            導讀: 提起硅負極你想到的是什么呢?大容量、高體積膨脹?硅負極作為新一代的鋰離子電池負極材料,其容量*高可達4200mAh/g,是石墨負極材料的10倍以上,是*具希望的下一代鋰離子電池負極材料。

            OFweek鋰電(dian)網訊 提起硅負極你想到的是什么呢?大容量、高體積膨脹?硅負極作為新一代的鋰離子電(dian)池負極材料,其容量*高可達4200mAh/g,是石墨負極材料的10倍以上,是*具希望的下一代鋰離子電池負極材料。

           

            在這(zhe)耀眼的(de)光環下(xia),硅負極(ji)(ji)也存在著難(nan)以克(ke)服(fu)的(de)缺點,這(zhe)主要源于硅負極(ji)(ji)在嵌(qian)鋰(li)過程中嚴重(zhong)的(de)體積膨(peng)脹(zhang)(zhang),在完(wan)全嵌(qian)鋰(li)狀態(tai)下(xia),硅負極(ji)(ji)的(de)體積膨(peng)脹(zhang)(zhang)可(ke)達300%,這(zhe)會造成材(cai)料(liao)顆(ke)粒(li)(li)的(de)粉化(hua)和脫(tuo)落,嚴重(zhong)影響其(qi)電(dian)化(hua)學性(xing)能。人們竭力(li)減少硅負極(ji)(ji)材(cai)料(liao)的(de)體積膨(peng)脹(zhang)(zhang),例如納米顆(ke)粒(li)(li)、薄(bo)膜電(dian)極(ji)(ji)、碳(tan)包覆處理等方法,都是(shi)(shi)人們為克(ke)服(fu)硅負極(ji)(ji)膨(peng)脹(zhang)(zhang)所做出的(de)努(nu)力(li)。體積膨(peng)脹(zhang)(zhang)對于鋰(li)離子電(dian)池是(shi)(shi)一(yi)個壞消息,但是(shi)(shi)讓我們換個角度考慮一(yi)下(xia),硅負極(ji)(ji)巨大的(de)體積膨(peng)脹(zhang)(zhang)是(shi)(shi)不是(shi)(shi)還有一(yi)些(xie)特使的(de)用途呢?

           

            清華(hua)大學的(de)(de)(de)(de)(de)Jialiang Lang等(deng)人就利用(yong)(yong)了(le)硅負(fu)(fu)(fu)極在(zai)充(chong)(chong)放電(dian)(dian)(dian)過(guo)程中的(de)(de)(de)(de)(de)體(ti)積(ji)膨(peng)脹(zhang)開發了(le)一(yi)款(kuan)“微型(xing)起重機(ji)”。該(gai)“微型(xing)起重機(ji)”實(shi)際上是一(yi)個軟包鋰離子電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi),其正極采用(yong)(yong)了(le)體(ti)積(ji)變化很(hen)小的(de)(de)(de)(de)(de)LiFePO4材料,而負(fu)(fu)(fu)極使用(yong)(yong)了(le)硅負(fu)(fu)(fu)極材料,電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)容(rong)量(liang)為2.1Ah。并利用(yong)(yong)該(gai)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)進(jin)行了(le)“舉水(shui)實(shi)驗”,在(zai)實(shi)驗中該(gai)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)通過(guo)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)“舉起”了(le)637.5g的(de)(de)(de)(de)(de)水(shui),在(zai)完(wan)全(quan)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)狀態下電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)膨(peng)脹(zhang)所產(chan)(chan)(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)強達到了(le)25.8KPa,在(zai)后(hou)續的(de)(de)(de)(de)(de)循環過(guo)程中產(chan)(chan)(chan)生了(le)平(ping)均21KPa的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力。后(hou)續的(de)(de)(de)(de)(de)研究表明,該(gai)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)能(neng)夠產(chan)(chan)(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)*高壓(ya)(ya)力可(ke)達17MPa。在(zai)整個充(chong)(chong)放電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)平(ping)臺(tai)期間(jian),該(gai)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)可(ke)以(yi)持續產(chan)(chan)(chan)生10MPa以(yi)上的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力。在(zai)該(gai)過(guo)程中,充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)產(chan)(chan)(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)分(fen)為3部(bu)分(fen),一(yi)部(bu)分(fen)轉(zhuan)化為機(ji)械(xie)能(neng),一(yi)部(bu)分(fen)轉(zhuan)換為化學能(neng)儲(chu)存在(zai)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)中,一(yi)部(bu)分(fen)則轉(zhuan)化為熱能(neng)耗散了(le)。

            當然對(dui)于一款意在(zai)(zai)將電(dian)能(neng)轉換為機械能(neng)的(de)(de)(de)設備,快速(su)(su)的(de)(de)(de)響應(ying)的(de)(de)(de)能(neng)力(li)自然是十分重(zhong)(zhong)要的(de)(de)(de),Jialiang Lang對(dui)電(dian)池(chi)在(zai)(zai)快速(su)(su)充放(fang)電(dian)模(mo)式下(xia),體積膨(peng)脹(zhang)的(de)(de)(de)響應(ying)速(su)(su)度(du)(du)(du)進行了(le)研究。研究表明電(dian)池(chi)膨(peng)脹(zhang)對(dui)脈(mo)沖電(dian)流(liu)(liu)有(you)著很好的(de)(de)(de)響應(ying)速(su)(su)度(du)(du)(du)。并且膨(peng)脹(zhang)距離與(yu)充電(dian)時(shi)間基本呈現線性(xing)關系,在(zai)(zai)2A/g的(de)(de)(de)電(dian)流(liu)(liu)密度(du)(du)(du)下(xia),膨(peng)脹(zhang)速(su)(su)度(du)(du)(du)為1.6nm/s,因(yin)此該(gai)方案可(ke)以(yi)用于納米精(jing)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)定位(wei)。電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)膨(peng)脹(zhang)速(su)(su)度(du)(du)(du)主(zhu)要與(yu)硅(gui)負極的(de)(de)(de)面密度(du)(du)(du)、電(dian)池(chi)厚度(du)(du)(du)和電(dian)流(liu)(liu)密度(du)(du)(du)相關,因(yin)此在(zai)(zai)電(dian)池(chi)定型(xing)的(de)(de)(de)前提下(xia),我(wo)們可(ke)以(yi)通過控(kong)制電(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)(de)方式來控(kong)制電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)膨(peng)脹(zhang)速(su)(su)度(du)(du)(du),從(cong)而達到我(wo)們所(suo)需要的(de)(de)(de)控(kong)制精(jing)度(du)(du)(du)。在(zai)(zai)該(gai)研究中,Si負極的(de)(de)(de)容(rong)量發(fa)揮(hui)僅為800mAh/g,因(yin)此該(gai)“微(wei)型(xing)起(qi)重(zhong)(zhong)機”還有(you)很大的(de)(de)(de)提升空間。該(gai)“微(wei)型(xing)起(qi)重(zhong)(zhong)器”能(neng)夠(gou)**的(de)(de)(de)產生納米尺度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)位(wei)移,并能(neng)承受巨(ju)大的(de)(de)(de)負載,因(yin)此可(ke)以(yi)應(ying)用在(zai)(zai)一些需要在(zai)(zai)納米級高精(jing)度(du)(du)(du)定位(wei)的(de)(de)(de)領域(yu),例如操作掃描隧道(dao)顯微(wei)鏡(jing)的(de)(de)(de)探針(zhen)等(deng)。反其道(dao)而行之,往往能(neng)取得不錯的(de)(de)(de)效果。


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