化工系魏飛教授課題組發(fā)文報(bào)道可長(zhǎng)循環(huán)的硅基負(fù)極材料

清華新聞網(wǎng)7月10日電 7月4日，清華大學(xué)化工系魏飛教授課題組在知名期刊《納米快報(bào)》（Nano Letters）上在線(xiàn)發(fā)表“碳化硅作為抑制化學(xué)反應(yīng)的保護(hù)層增強(qiáng)硅基負(fù)極穩(wěn)定性”（Silicon Carbide as a Protective Layer to Stabilize Si-Based Anodes by Inhibiting Chemical Reactions ）的研究文章，標(biāo)志課題組在鋰離子電池硅基負(fù)極材料的研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。

自鋰離子電池商用化以來(lái)，人們一直在致力于提高其能量密度。Si基材料由于其具有高的比容量（4200 mAh/g），成為最具有潛力的能夠取代商用石墨負(fù)極（372 mAh/g）的材料。但是Si基材料在充放電過(guò)程中存在巨大的體積膨脹及粉化問(wèn)題，導(dǎo)致其循環(huán)穩(wěn)定性差，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)過(guò)20多年的研究，研究者們從材料結(jié)構(gòu)、納米化、合金化改進(jìn)，碳包覆等角度進(jìn)行調(diào)控，已經(jīng)能夠部分解決硅基材料的問(wèn)題，如特斯拉Model 3電動(dòng)車(chē)中鋰電池已商用化加入約10%的Si基負(fù)極。但其循環(huán)性能差的問(wèn)題依然突出。

 圖. A)不同材料與電解液反應(yīng)產(chǎn)物的XRD 結(jié)果表征；B)不同材料與電解液副反應(yīng)的活化能比較；C) 在1 A/g的電流密度下的循環(huán)性能測(cè)試。

本研究發(fā)現(xiàn)，在目前的硅負(fù)極電池體系下，不僅有硅的體積膨脹與粉化問(wèn)題，而且Si會(huì)與電解液中的氟發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成氟硅酸鋰結(jié)晶體，不斷消耗電池體系里有限的Li源、Si源和電解液，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致電池失效。包覆的納米碳層并不能阻止氟與硅的接觸，反而是個(gè)促進(jìn)這一反應(yīng)的催化劑，成倍地降低了反應(yīng)的活化能并成百倍地加速這一反應(yīng)進(jìn)程。

為了抑制這一副反應(yīng)的發(fā)生，在Si表面包覆一層致密的納米級(jí)厚度碳化硅陶瓷層，阻止氟化物的滲入并穩(wěn)定硅負(fù)極的體積膨脹以達(dá)到抑制副反應(yīng)、穩(wěn)定SEI層的目的。包覆SiC陶瓷層后，副反應(yīng)的活化能變?yōu)樵瓉?lái)的三倍，對(duì)應(yīng)的室溫下的反應(yīng)速率降為原來(lái)的1/300。通過(guò)在實(shí)際的電池體系下進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試，包覆SiC后的材料循環(huán)穩(wěn)定性得到大幅度提高。上述成果可望為Si基負(fù)極材料的穩(wěn)定性研究提供一種新的解決思路，推進(jìn)硅基負(fù)極材料的商用化。

清華大學(xué)化工系魏飛教授是該文的通訊作者，博士生于春輝和博士后陳曉為共同第一作者，清華大學(xué)化工系助理教授張如范、博士生肖哲熙、博士后林賢清、博士后張晨曦等參加了該項(xiàng)工作。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目資助。

魏飛教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于鋰離子電池導(dǎo)電劑的研發(fā)，利用流化床技術(shù)制備出的陣列碳納米管已經(jīng)批量應(yīng)用于商用鋰離子電池中，并形成萬(wàn)噸級(jí)碳納米管鋰離子電池導(dǎo)電漿料產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。本項(xiàng)目成果是該團(tuán)隊(duì)在電池材料方面的又一項(xiàng)新進(jìn)展。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b01492

供稿：化工系

編輯：李華山

審核：周襄楠