苏大团队对硅负极进行改性，循环500圈后仍然具备高比容量

　　化石燃料的过度消耗，导致人类社会可持续发展正面临着能源短缺、气候变暖、环境污染等全球性问题。

　　为应对上述挑战，2020 年中国提出“碳达峰、碳中和”的目标；2023 年，欧洲通过 2035 年停售燃料发动机车辆议案。可以说，发展新能源已成为一个世界性的科技焦点。

　　锂离子电池已被广泛用于 3C、储能和动力。作为锂离子电池中的关键材料，石墨目前主导着负极材料市场，占据将近 90% 的负极市场份额。

　　但是，石墨负极的实际比容量已经接近极限值（石墨的理论比容量为 372mAh/g），这根本无法满足市场对于高比能锂电的需求。

　　硅的质量比容量和体积比容量，比石墨高出大约一个数量级（3579mAh/g vs. 372mAhg，9786mAh/cm3 vs. 837 mAhcm3）。随着市场对高能锂离子电池的需求增加，硅基负极的需求起量也被带动起来，硅基负极的市场潜能也正被逐渐打开。

　　然而，基于合金化储锂机制的硅负极，存在体积膨胀显著的缺点，这会造成硅颗粒破裂，致使电池极化增大；固体电解质界面（SEI，Solid electrolyte interphase）膜则存在不稳定的缺点，这会导致持续性的非可逆性锂消耗；而硅材料则会脱离导电网络，从而失去电接触。

　　采用纳米硅是避免硅颗粒在充放电过程中破裂的有效手段。然而，SEI 的不稳定性、以及硅材料失去电接触的问题依然存在。

　　针对前者，主要解决方案是开发有利于稳定成膜的电解液添加剂或电极表面修饰剂；针对后者，主要解决方案是设计可以缓冲硅负极体积膨胀的功能粘结剂。

　　但是，目前尚未出现能同时实现上述两个功能的解决方案。针对这一局限，苏州大学王艳副教授和郑洪河教授于近日研发出一种官能团“集成”的表面预成膜技术，借此发展出高性能的硅基锂离子电池。

　　研究中，他们在 Si 表面引入优化之后的粘结剂和电解液组分结构中的有益官能团，从而实现了由偶氮二甲酰胺和 4-硝基苯磺酰氟组成的功能复合层。

　　通过结合表面改性技术、粘合剂优化和电解质设计的优点，课题组显著提升了硅负极的循环和倍率性能。

　　改性之后的硅负极，在循环 500 圈之后仍然具备 1407.9mAhg-1 的比容量；而在同等条件下，未经改性的硅负极在循环 300 圈之后几乎完全没有容量。

　　在 10C 的条件下，未改性的硅负极几乎没有容量；而改性硅负极仍能发挥出 1773.5 mAhg-1 的比容量。此外，使用改性硅负极组装的全电池，其循环稳定性也明显更好。

　　日前，相关论文以《在硅表面预制“三位一体”的二元功能层以开发高性能锂离子电池》（Prefabrication of “Trinity” Functional Binary Layers on a Silicon Surface to Develop High-Performance Lithium-Ion Batteries）为题发表在 ACS Nano 上。

　　

　　图 | 相关论文（来源：ACS Nano）

　　苏州大学黄韦博博士是第一作者，王艳副教授和郑洪河教授担任共同通讯作者。

　　

　　图 | 王艳（来源：王艳）

　　据介绍，近十年来王艳一直聚焦于研究锂离子电池负极中的关键材料与技术，主要围绕石墨负极、金属氧化物负极、有机负极和硅负极等开展工作。

　　近五年来，她和团队在高能硅基负极上做出了不少成果[2]，先后推出了多种改善硅负极界面和稳定硅负极结构的策略，其中包括硅材料表面预成膜技术、功能粘结剂设计、电解液锂盐优化等。

　　而本项研究则将前期成果巧妙结合在一起，对表面改性技术、粘合剂优化技术和电解质设计技术进行了集成，以充分改进硅负极的储锂性能。

　　王艳表示，对于硅基锂离子电池来说，目前仍然存在亟待解决的关键科学问题。针对硅负极的体积膨胀问题，大量改性方法已被公开报道。不过，目前硅基全电池的循环稳定性还远远无法和石墨负极相媲美。

　　未来，王艳所在课题组将继续围绕限制硅基负极应用的关键问题开展研究，最终目标是实现具备稳定循环特点的硅基全电池。

　　参考资料：

　　1.Huang, W., Wang, Y., Lv, L., Li, X., Wang, Y., Zheng, W., & Zheng, H. (2023). Prefabrication of “Trinity” Functional Binary Layers on a Silicon Surface to Develop High-Performance Lithium-Ion Batteries. ACS nano, 17(3), 2669-2678.

　　2.ACS Nano 2023, 17: 2669; Energy Storage Materials 2022, 52: 646; Nano Energy 2022, 93: 106811; Energy Storage Materials 2021, 42: 493

　　举报/反馈