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华中科技大学探讨锂离子电池硅基微粒负极的发展前景

时间:2022-11-24 11:35 点击:

   硅是有前景的负极材料,可用于高能锂离子电池。然而,由于一系列挑战,硅基负极的广泛应用受到阻碍。据外媒报道,华中科技大学的研究团队发表了一篇综述文章,总结硅基负极面临的挑战,概述目前的硅基负极工程设计策略,并展望这种负极材料的发展前景。

  

  该校材料科学与工程学院的胡先罗教授表示:“研究人员希望,从产业化的角度总结使用商用硅微粒制备的硅基电极的发展,如原料、制备工艺、产量和环境友好性等,为微尺度硅基负极的实际应用提供一些有价值的指导方针。”

  

  作为下一代锂离子电池的负极候选材料,硅具有强大的潜力,但仍需克服几个挑战。首先,该团队注意到,纳米技术可使电极保持结构稳定和长期循环,但无法满足产业应用的要求。这是因为其振实密度低,副反应严重,而且体积容量低,生产过程复杂,产量低。

  

  其次,该团队指出,采用微尺度硅基负极设计,可明显提高电极的整体性能。但是,在生产过程中,由于制造步骤比较复杂,不仅能耗高、污染重,而且产量低。

  

  此外,该团队注意到,很多微尺度硅材料还在使用纳米颗粒作为原材料,但这些颗粒并不适合规模化生产。因此,研究人员一直在寻求简单而环保的方法,以实现低成本制造硅基材料,用于锂离子电池。

  

  考虑到硅基负极未来的商业化前景,研究人员指出,使用上述低等级硅基材料作为硅源时,关键在于保持电极结构的完整性,以确保稳定的循环性能。很多研究将关注点放在将多孔硅微粒与混合复合材料结合起来,很少关注对所设计的微尺度硅进行失效机制分析。

  

  该团队指出,在电池电极内,通过粘合剂材料将活性材料颗粒结合在一起,对于保持结构完整性至关重要。研究人员建议,开发一种具有自愈性和导电性的多功能聚合物粘合剂,将有助于提高电极的机械强度和建立扩展导电网络。天然衍生聚合物具有良好的结构优势,在这方面应该可以发挥更大的作用。

  

  胡教授表示:“硅是很有潜力的负极材料,可用于高密度锂离子电池。从简单、可扩展、安全和可持续的技术角度,构建高度稳定的硅微粒电极,具有挑战性和重要意义。”

  

  展望未来,该团队认为,基于多尺度、多物理场的微尺度硅失效机制分析尚缺乏。研究人员需要开发现场分析技术,以阐明设计策略和电极性能之间的关系。例如,需要深入了解孔分布对应力扩散的影响、活性颗粒结构的演变,以及表面化学和电场分布对碳改性的依赖关系。研究人员提出,开发简单、环保、高效、可控、节能的合成技术,是满足产业化生产要求的关键。

  

  胡教授表示:“希望通过一条简单而环保的途径,进行电极材料设计、电解质优化和粘结剂创新,以实现低成本硅基材料在全电池full cell中的应用。”