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(li)離子電池(chi)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)(zai)(zai)這(zhe)耀眼的(de)(de)光環(huan)下，硅(gui)負(fu)極(ji)也存在(zai)(zai)(zai)著難以克服的(de)(de)缺點，這(zhe)主(zhu)要源于硅(gui)負(fu)極(ji)在(zai)(zai)(zai)嵌(qian)鋰過程中(zhong)嚴重(zhong)(zhong)的(de)(de)體(ti)積膨脹(zhang)，在(zai)(zai)(zai)完全(quan)嵌(qian)鋰狀態下，硅(gui)負(fu)極(ji)的(de)(de)體(ti)積膨脹(zhang)可達300%，這(zhe)會(hui)造成材(cai)料(liao)顆(ke)粒的(de)(de)粉化和脫(tuo)落，嚴重(zhong)(zhong)影(ying)響其(qi)電化學性(xing)能(neng)。人(ren)們竭力(li)減少硅(gui)負(fu)極(ji)材(cai)料(liao)的(de)(de)體(ti)積膨脹(zhang)，例如納米顆(ke)粒、薄膜電極(ji)、碳包覆處理(li)等(deng)方(fang)法，都是(shi)人(ren)們為克服硅(gui)負(fu)極(ji)膨脹(zhang)所做出(chu)的(de)(de)努力(li)。體(ti)積膨脹(zhang)對于鋰離子電池是(shi)一個壞(huai)消(xiao)息，但是(shi)讓我(wo)們換個角度考慮一下，硅(gui)負(fu)極(ji)巨大的(de)(de)體(ti)積膨脹(zhang)是(shi)不是(shi)還有一些特使(shi)的(de)(de)用(yong)途呢？
清華(hua)大(da)學(xue)的(de)(de)(de)Jialiang Lang等人(ren)就利用(yong)了(le)(le)硅負(fu)極在(zai)(zai)充(chong)放電(dian)(dian)過程(cheng)(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)體積(ji)膨脹開發了(le)(le)一款“微型(xing)起(qi)重機”。該(gai)(gai)(gai)“微型(xing)起(qi)重機”實(shi)際(ji)上(shang)(shang)是一個(ge)軟包(bao)鋰離子(zi)電(dian)(dian)池(chi)，其正極采用(yong)了(le)(le)體積(ji)變化(hua)(hua)(hua)很(hen)小的(de)(de)(de)LiFePO4材料，而負(fu)極使用(yong)了(le)(le)硅負(fu)極材料，電(dian)(dian)池(chi)容量(liang)為(wei)2.1Ah。并利用(yong)該(gai)(gai)(gai)電(dian)(dian)池(chi)進行了(le)(le)“舉(ju)水(shui)實(shi)驗”，在(zai)(zai)實(shi)驗中(zhong)該(gai)(gai)(gai)電(dian)(dian)池(chi)通過充(chong)電(dian)(dian)“舉(ju)起(qi)”了(le)(le)637.5g的(de)(de)(de)水(shui)，在(zai)(zai)完全充(chong)電(dian)(dian)狀態下電(dian)(dian)池(chi)膨脹所產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)壓(ya)強達到(dao)了(le)(le)25.8KPa，在(zai)(zai)后續(xu)的(de)(de)(de)循環過程(cheng)(cheng)中(zhong)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)了(le)(le)平(ping)均(jun)21KPa的(de)(de)(de)壓(ya)力。后續(xu)的(de)(de)(de)研究表明，該(gai)(gai)(gai)電(dian)(dian)池(chi)能夠產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)*高壓(ya)力可達17MPa。在(zai)(zai)整(zheng)個(ge)充(chong)放電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)平(ping)臺期間，該(gai)(gai)(gai)電(dian)(dian)池(chi)可以持續(xu)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)10MPa以上(shang)(shang)的(de)(de)(de)壓(ya)力。在(zai)(zai)該(gai)(gai)(gai)過程(cheng)(cheng)中(zhong)，充(chong)電(dian)(dian)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)能量(liang)分(fen)(fen)為(wei)3部分(fen)(fen)，一部分(fen)(fen)轉化(hua)(hua)(hua)為(wei)機械能，一部分(fen)(fen)轉換為(wei)化(hua)(hua)(hua)學(xue)能儲存在(zai)(zai)電(dian)(dian)池(chi)中(zhong)，一部分(fen)(fen)則轉化(hua)(hua)(hua)為(wei)熱(re)能耗散了(le)(le)。
當然(ran)對(dui)(dui)于一款(kuan)意(yi)在(zai)(zai)將(jiang)電能(neng)轉換為機械(xie)能(neng)的(de)(de)(de)(de)設備，快速的(de)(de)(de)(de)響(xiang)應的(de)(de)(de)(de)能(neng)力(li)自然(ran)是十分(fen)重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)，Jialiang Lang對(dui)(dui)電池(chi)(chi)(chi)在(zai)(zai)快速充放電模式下，體積膨脹(zhang)(zhang)的(de)(de)(de)(de)響(xiang)應速度(du)(du)(du)(du)進行了研(yan)究。研(yan)究表明(ming)電池(chi)(chi)(chi)膨脹(zhang)(zhang)對(dui)(dui)脈沖電流有著很好的(de)(de)(de)(de)響(xiang)應速度(du)(du)(du)(du)。并且膨脹(zhang)(zhang)距(ju)離(li)與充電時間(jian)基本呈現線(xian)性關系，在(zai)(zai)2A/g的(de)(de)(de)(de)電流密(mi)(mi)度(du)(du)(du)(du)下，膨脹(zhang)(zhang)速度(du)(du)(du)(du)為1.6nm/s，因(yin)此該(gai)(gai)方(fang)(fang)案可(ke)以用于納米精度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)定(ding)位。電池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)膨脹(zhang)(zhang)速度(du)(du)(du)(du)主要(yao)與硅負極的(de)(de)(de)(de)面密(mi)(mi)度(du)(du)(du)(du)、電池(chi)(chi)(chi)厚(hou)度(du)(du)(du)(du)和電流密(mi)(mi)度(du)(du)(du)(du)相關，因(yin)此在(zai)(zai)電池(chi)(chi)(chi)定(ding)型(xing)的(de)(de)(de)(de)前提下，我(wo)們可(ke)以通過控(kong)制(zhi)電流的(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)式來控(kong)制(zhi)電池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)膨脹(zhang)(zhang)速度(du)(du)(du)(du)，從(cong)而(er)達(da)到我(wo)們所需(xu)(xu)要(yao)的(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)精度(du)(du)(du)(du)。在(zai)(zai)該(gai)(gai)研(yan)究中，Si負極的(de)(de)(de)(de)容(rong)量發揮僅(jin)為800mAh/g，因(yin)此該(gai)(gai)“微(wei)型(xing)起(qi)重(zhong)機”還有很大(da)的(de)(de)(de)(de)提升(sheng)空間(jian)。該(gai)(gai)“微(wei)型(xing)起(qi)重(zhong)器”能(neng)夠**的(de)(de)(de)(de)產生(sheng)納米尺度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)位移(yi)，并能(neng)承受巨大(da)的(de)(de)(de)(de)負載，因(yin)此可(ke)以應用在(zai)(zai)一些需(xu)(xu)要(yao)在(zai)(zai)納米級高精度(du)(du)(du)(du)定(ding)位的(de)(de)(de)(de)領(ling)域，例(li)如操作掃描隧(sui)道顯微(wei)鏡的(de)(de)(de)(de)探針等。反其道而(er)行之，往往能(neng)取(qu)得(de)不錯的(de)(de)(de)(de)效果(guo)。
