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(zai)這(zhe)耀眼(yan)的(de)(de)光(guang)環下，硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)負(fu)極(ji)也存在(zai)著難以(yi)克服(fu)(fu)的(de)(de)缺點(dian)，這(zhe)主(zhu)要源于硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)負(fu)極(ji)在(zai)嵌鋰過程中嚴(yan)重的(de)(de)體(ti)(ti)積膨(peng)脹(zhang)，在(zai)完全嵌鋰狀態下，硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)負(fu)極(ji)的(de)(de)體(ti)(ti)積膨(peng)脹(zhang)可(ke)達300%，這(zhe)會造(zao)成(cheng)材料顆粒(li)的(de)(de)粉化和(he)脫落(luo)，嚴(yan)重影響其(qi)電化學性能。人們竭(jie)力減少(shao)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)負(fu)極(ji)材料的(de)(de)體(ti)(ti)積膨(peng)脹(zhang)，例(li)如納米顆粒(li)、薄(bo)膜電極(ji)、碳包覆(fu)處理等(deng)方法，都是(shi)人們為克服(fu)(fu)硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)負(fu)極(ji)膨(peng)脹(zhang)所做出的(de)(de)努力。體(ti)(ti)積膨(peng)脹(zhang)對于鋰離子電池是(shi)一個壞消(xiao)息，但是(shi)讓我們換個角度考慮一下，硅(gui)(gui)(gui)(gui)(gui)負(fu)極(ji)巨大的(de)(de)體(ti)(ti)積膨(peng)脹(zhang)是(shi)不是(shi)還有一些(xie)特使的(de)(de)用途呢？
清華大學(xue)的(de)Jialiang Lang等人(ren)就利用(yong)(yong)了硅(gui)負(fu)極(ji)在(zai)充(chong)放電(dian)(dian)(dian)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)體積膨(peng)脹開發了一(yi)(yi)款(kuan)“微(wei)(wei)型起重機”。該“微(wei)(wei)型起重機”實際上是一(yi)(yi)個軟包鋰離子電(dian)(dian)(dian)池(chi)，其正極(ji)采用(yong)(yong)了體積變化很小的(de)LiFePO4材料，而負(fu)極(ji)使用(yong)(yong)了硅(gui)負(fu)極(ji)材料，電(dian)(dian)(dian)池(chi)容量為(wei)2.1Ah。并利用(yong)(yong)該電(dian)(dian)(dian)池(chi)進行了“舉水實驗(yan)”，在(zai)實驗(yan)中(zhong)該電(dian)(dian)(dian)池(chi)通過(guo)充(chong)電(dian)(dian)(dian)“舉起”了637.5g的(de)水，在(zai)完全充(chong)電(dian)(dian)(dian)狀態下電(dian)(dian)(dian)池(chi)膨(peng)脹所產(chan)生的(de)壓(ya)(ya)強達到了25.8KPa，在(zai)后續的(de)循環(huan)過(guo)程(cheng)中(zhong)產(chan)生了平(ping)均21KPa的(de)壓(ya)(ya)力(li)。后續的(de)研究表(biao)明(ming)，該電(dian)(dian)(dian)池(chi)能(neng)(neng)夠(gou)產(chan)生的(de)*高壓(ya)(ya)力(li)可(ke)達17MPa。在(zai)整個充(chong)放電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)平(ping)臺期間(jian)，該電(dian)(dian)(dian)池(chi)可(ke)以持續產(chan)生10MPa以上的(de)壓(ya)(ya)力(li)。在(zai)該過(guo)程(cheng)中(zhong)，充(chong)電(dian)(dian)(dian)產(chan)生的(de)能(neng)(neng)量分為(wei)3部分，一(yi)(yi)部分轉(zhuan)化為(wei)機械能(neng)(neng)，一(yi)(yi)部分轉(zhuan)換為(wei)化學(xue)能(neng)(neng)儲(chu)存(cun)在(zai)電(dian)(dian)(dian)池(chi)中(zhong)，一(yi)(yi)部分則轉(zhuan)化為(wei)熱能(neng)(neng)耗散了。
當(dang)然(ran)對于(yu)一款(kuan)意在(zai)將電(dian)(dian)能(neng)轉(zhuan)換為機(ji)械(xie)能(neng)的(de)(de)(de)(de)設備，快速(su)的(de)(de)(de)(de)響應(ying)的(de)(de)(de)(de)能(neng)力自然(ran)是十分(fen)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)，Jialiang Lang對電(dian)(dian)池(chi)(chi)在(zai)快速(su)充放電(dian)(dian)模式(shi)下(xia)，體(ti)積膨(peng)(peng)(peng)(peng)脹的(de)(de)(de)(de)響應(ying)速(su)度進行了研(yan)究。研(yan)究表明電(dian)(dian)池(chi)(chi)膨(peng)(peng)(peng)(peng)脹對脈沖電(dian)(dian)流(liu)有(you)著(zhu)很好(hao)的(de)(de)(de)(de)響應(ying)速(su)度。并且膨(peng)(peng)(peng)(peng)脹距離與(yu)充電(dian)(dian)時間(jian)基本呈現線性關(guan)系，在(zai)2A/g的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)流(liu)密(mi)度下(xia)，膨(peng)(peng)(peng)(peng)脹速(su)度為1.6nm/s，因(yin)(yin)此該(gai)(gai)方案可(ke)(ke)以用于(yu)納(na)(na)米(mi)精度的(de)(de)(de)(de)定(ding)位(wei)。電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)膨(peng)(peng)(peng)(peng)脹速(su)度主要(yao)與(yu)硅負極的(de)(de)(de)(de)面(mian)密(mi)度、電(dian)(dian)池(chi)(chi)厚度和電(dian)(dian)流(liu)密(mi)度相(xiang)關(guan)，因(yin)(yin)此在(zai)電(dian)(dian)池(chi)(chi)定(ding)型的(de)(de)(de)(de)前提下(xia)，我(wo)們(men)可(ke)(ke)以通(tong)過控制電(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)(de)(de)方式(shi)來(lai)控制電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)膨(peng)(peng)(peng)(peng)脹速(su)度，從(cong)而(er)(er)達到我(wo)們(men)所需(xu)要(yao)的(de)(de)(de)(de)控制精度。在(zai)該(gai)(gai)研(yan)究中，Si負極的(de)(de)(de)(de)容量(liang)發揮(hui)僅為800mAh/g，因(yin)(yin)此該(gai)(gai)“微型起重機(ji)”還有(you)很大的(de)(de)(de)(de)提升空間(jian)。該(gai)(gai)“微型起重器”能(neng)夠**的(de)(de)(de)(de)產生納(na)(na)米(mi)尺度的(de)(de)(de)(de)位(wei)移，并能(neng)承受巨大的(de)(de)(de)(de)負載，因(yin)(yin)此可(ke)(ke)以應(ying)用在(zai)一些需(xu)要(yao)在(zai)納(na)(na)米(mi)級(ji)高精度定(ding)位(wei)的(de)(de)(de)(de)領域(yu)，例如操(cao)作掃描隧道顯微鏡的(de)(de)(de)(de)探針等(deng)。反(fan)其道而(er)(er)行之，往往能(neng)取得不(bu)錯(cuo)的(de)(de)(de)(de)效果。
