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材料决定新能源汽车的未来——锂电池发展路线专题(二)

2016-05-04 10:49来源:材料人微信关键词:锂离子电池负极材料正极材料收藏点赞

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二、硅,锗等合金材料

Si、Ge、Sn等金属(半金属)以及其合金由于具有高比容量,被认为是未来锂电池负极材料的潜在替代者,近年来得到了广泛的研究;Si材料是这其中的典型代表。Si的比容量高达4200mAhg-1,是商业化负极材料石墨比容量的十倍以上;并且其放电平台在比较低(~0.2V);此外,Si在大自然中的含量很丰富,属于环境友好型材料。基于以上优点,Si材料受到了广泛的重视。与Ge、Sn相似,Si材料的储锂机制是合金化反应,即Si与锂通过逐步反应生成一系列中间相Li1.71Si、Li2.33Si、Li3.25Si,最终形成合金相Li4.4Si(Li22Si5)。

图3.Si颗粒锂化后发生体积膨胀、SEI膜破裂、材料脱离集流体

对于Si材料来说,最大的挑战来自于两个方面:①Si在充电-放电循环中有巨大的体积变化(~300%),难以形成稳定的SEI)膜。这就导致电极材料易粉化、充放电过程中容易脱离集流体(如图3),电池循环性能差、容量损失快。②Si的本征导电性差(大约为10−3Scm−1,在完全锂化后增加至大约102Scm−1),并且Li+离子在Si里面的扩散系数低。这就导致Si材料的容量难以完全发挥出来,Si材料的倍率性能也因此受到了限制。

为了解决以上两个方面的挑战,科研工作者们一直致力于尝试碳材料与Si复合;这样做一方面可以提升Si电极的导电性,另一方面可以缓解Si在充放电过程中体积膨胀巨大的问题,提升电极材料的结构稳定性。通过构建不同形貌的Si-碳复合材料(如图4(a)和2(b)),研究者们得到了相比于纯Si更好的循环性能和倍率性能。此外,中空Si电极(比如中空Si颗粒、中空Si纳米管等,如图4(c)和(d))也得到了广泛的青睐。得益于其独特的结构,中空Si电极材料体积膨胀问题得到了有效的改善。

图4.Si-C复合材料:(a)碳包覆Si颗粒与石墨烯复合材料;(b)Si-C空心球复合材料和中空Si电极材料(c)Si空心球和(d)Si空心管

Si材料目前逐渐步入了产业化的阶段,比如近期上市的电动车特斯拉Model3的18650电池中,石墨负极添加了10%的Si,其能量密度可达到300wh/kg。尽管如此,Si材料从科研到实用化仍然需要很长的路要走。总体来看,Si材料应用的前途很光明——能量密度高、含量丰富,道路很曲折——体积膨胀大、结构不稳定。

原标题:材料决定新能源汽车的未来——锂电池发展路线专题(二)
投稿与新闻线索:陈女士 微信/手机:13693626116 邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#改成@)

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