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硅基锂离子电池负极材料的研究进展及应用前景

北极星储能网  来源:搜狐汽车    2017/4/21 10:40:06  我要投稿  

北极星储能网讯:硅是目前已知比容量(4200mAh/g)最高的锂离子电池负极材料,但由于其巨大的体积效应(>300%),硅电极材料在充放电过程中会粉化而从集流体上剥落,使得活性物质与活性物质、活性物质与集流体之间失去电接触,同时不断形成新的固相电解质层SEI,最终导致电化学性能的恶化。近年来,研究者们做了大量的研究和探索,尝试解决这些问题并取得了一定的成效,本文表述了该领域的研究进展,并提出进一步的研究方向和应用前景。

硅的脱嵌锂机理和容量衰减机制

硅不具有石墨基材料的层状结构,其储锂机制和其他金属一样,是通过与锂离子的合金化和去合金化进行的,其充放电电极反应可以写作下式:

在与锂离子发生合金与去合金化过程中,硅的结构会经历一系列的变化,而硅锂合金的结构转变和稳定性直接关系到电子的输送。

根据硅的脱嵌锂机理,我们可以把硅的容量衰减机制归纳如下:

(1)在首次放电过程中,随着电压的下降,首先形成嵌锂硅与未嵌锂晶态硅两相共存的核壳结构。随着嵌锂深度的增加,锂离子与内部晶体硅反应生成硅锂合金,最终以Li15Si4的合金形式存在。这一过程中相比于原始状态硅体积变大约3倍,巨大的体积效应导致硅电极的结构破坏,活性物质与集流体'活性物质与活性物质之间失去电接触,锂离子的脱嵌过程不能顺利进行,造成巨大的不可逆容量。

(2)巨大的体积效应还会影响到SEI的形成,随着脱嵌锂过程的进行,硅表面的SEI会随着体积膨胀而破裂再形成,使得SEI越来越厚。由于SEI的形成会消耗锂离子,因而造成了较大的不可逆容量。同时SEI较差的导电性还会使得电极的阻抗随着充放电过程不断增大,阻碍集流体与活性物质的电接触,增加了锂离子的扩散距离,阻碍锂离子的顺利脱嵌,造成容量的快速衰减。同时较厚的SEI还会造成较大的机械应力,对电极结构造成进一步破坏。

(3)不稳定的SEI层还会使得硅及硅锂合金与电解液直接接触而损耗,造成容量损失。

硅材料的选择与结构设计

1.无定型硅和硅的氧化物

(1)无定型硅

无定形硅在低电位下拥有较高的容量,作为锂离子电池负极材料"相比于石墨类电极材料安全性能更高。但无定形硅材料只能在有限程度上缓解颗粒的破碎和粉化,其循环稳定性仍不能满足作为高容量电池负极材料的要求。

(2)硅的氧化物

作为锂离子电池负极材料,SiO具有较高的理论比容量(1200mAh/g以上)、良好的循环性能以及较低的脱嵌锂电位,因此也是一种极具潜力的高容量锂离子电池负极材料。但氧化硅含氧量的不同也会影响其稳定性和可逆容量:随着氧化硅中氧的提高,循环性能提高,但可逆容量减小。

除此之外,硅氧化物作为锂离子电池负极材料还存在一些问题:由于首次嵌锂过程中Li2O和锂硅酸盐形成过程是不可逆的,使得首次库仑效率很低;同时Li2O和锂硅酸盐导电性差,使得电化学动力学性能较差,因而其倍率性能差;相比于单质硅,硅氧化物作为负极材料的循环稳定性更好,但是随着循环次数继续增加,其稳定性仍然很差。

2.低维硅材料

低维度的硅材料在同质量下拥有更大的表面积,利于材料与集流体和电解液的充分接触,减少由于锂离子不均匀扩散造成的应力和应变,提高材料的屈服强度和抗粉化能力,使得电极能够承受更大的应力和形变而不粉碎,进而获得更高的可逆容量和更好的循环稳定性。同时,较大的比表面积能承受更高的单位面积电流密度,因此低维硅材料的倍率性能也更好。

(1)硅纳米颗粒

相比于微米硅,使用纳米粒径硅的电极材料,其电化学性能无论是首次充放电比容量还是循环容量,都有明显的改善。

尽管纳米硅颗粒相对于微米硅颗粒有着更好的电化学性质,但当尺寸降至100nm以下时,硅活性颗粒在充放电过程中很容易发生团聚,而加快容量的衰减,且较大的比表面使得硅纳米粒子与电解液发生更多的接触,形成更多的SEI所以其电化学性能没有得到根本的改善。因此纳米硅经常与其他材料(如炭材料)复合用于锂离子电池负极材料。

(2)硅薄膜

在硅薄膜的脱嵌锂过程中,锂离子倾向于沿着垂直于薄膜的方向进行,因而硅薄膜的体积膨胀也主要沿着法线方向进行。相比于块状硅,使用硅薄膜可以有效抑制硅的体积效应。不同于其他形态的硅,薄膜硅不需要黏结剂,可作为电极直接加入锂离子电池中进行测试。硅薄膜的厚度对电极材料的电化学性能影响很大,随着厚度的增加,锂离子的脱嵌过程受到抑制。相比于微米级的硅薄膜,纳米级的硅薄膜负极材料表现出了更好的电化学性能。

(3)硅纳米线及纳米管

目前,已报道的能大量合成硅纳米线的方法主要包括激光烧蚀法、化学气相沉积法、热蒸发法和硅基底直接生长法等。

硅纳米管由于其特有的中空结构,相比于硅纳米线有着更好的电化学性能。硅纳米线/纳米管相比于硅颗粒,在脱嵌锂过程中横向体积效应不明显,而且不会像纳米硅颗粒一样发生粉碎失去电接触,因而循环稳定性更好。由于直径小,脱嵌锂更快更彻底,因而可逆比容量也很高。硅纳米管内外部的较大自由表面可以很好地适应径向的体积膨胀,在充放电过程中形成更稳定的SEI,使得材料呈现出较高的库仑效率。

3.多孔硅和中空结构硅

合适的孔结构不仅能够促进锂离子在材料中快速脱嵌,提高材料的倍率性能,同时还能够缓冲电极在充放电过程中的体积效应,从而提高循环稳定性。在多孔硅材料的制备中,加入炭材料可以改善硅的导电性能并维持电极结构,进一步提高材料的电化学性能。制备多孔结构硅的常用方法有模板法、刻蚀法和镁热还原法。

近年来,镁热还原氧化硅制备硅基材料的方法引起了研究者的广泛关注。除了用球形氧化硅作为前驱体外,氧化硅分子筛由于自身为多孔结构,因而是一种常用来制备多孔硅材料的方法。常用的氧化硅前驱体主要有SBA-15、MCM-41等。由于硅的导电性差,在进行镁热还原后往往还会在多孔硅的表面包覆一层无定形碳。

(2)空心结构硅

空心结构是另外一种有效改善硅基材料电化学性能的途经,目前制备中空硅的方法主要为模板法。尽管中空硅的电化学性能优异,但是目前其制备成本仍然很高,而且同样存在着导电性较差等问题。通过设计蛋黄蛋壳(yolk-shell)结构并控制蛋黄与蛋壳之间的空间大小,在有效缓冲硅体积膨胀的同时,作为蛋壳的碳还可以提高材料的导电性,因此具有蛋黄蛋壳结构的碳硅复合材料的循环稳定性更好,可逆容量也更高。

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