锂电性能大突破在即?微米级硅基负极瓶颈已破 为低成本EV铺平道路
原创
2022-08-12 15:29 星期五
财联社 黄君芝

财联社8月12日讯(编辑 黄君芝)在改善新一代锂电池性能的竞赛中,一些科学家将目光瞄准了负极材料。硅的比容量高达4200mAh/g,是目前已知比容量最高的负极材料,亦是最常用的碳基材料的10倍以上,这使得硅基材料被视为下一代负极的理想“候选人”。

然而,由于硅材料在充放电时体积膨胀可达120%-300%,导致硅颗粒分化及SEI膜(固体电解质界面)的增厚破裂,这将影响电池首充效率与寿命。SEI实际上就是阳极的一个保护层,它可以使电池在一段时间内保持其稳定性,并具有较长的寿命。

目前,纳米结构硅是解决上述问题的最常用方法,但它也带来了一系列的缺点。这些问题包括供应短缺,合成过程困难而昂贵,以及电池寿命极短等。而硅微米粒子(SiMPs)虽然能解决高成本的问题,但后者会放大其他缺点。因此,该技术的应用也一直受到限制。

不过现在,日本北陆先端科学技术大学院大学(JAIST)相信他们已经找到了解决困扰SiMPs问题的方法。据报道,研究人员开发了一种合成新型高弹性SiMP的整体方法,这一新型微米级硅基负极由黑色玻璃(碳氧化硅)接枝的硅组成。

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研究负责人Noriyoshi Matsumi表示,“硅纳米粒子可能会提供更大的有效表面积,但它也有其自身的缺点,例如增加电解质的消耗以及在几次充电和放电循环后初始库仑效率较差。”

“SiMP是最合适、低成本且易于获得的替代品,尤其是与具有特殊结构特性的材料(如碳氧化硅黑玻璃)结合使用时。我们的材料不仅表现出色,而且有利于大规模应用。”他说。

据悉,上述研究成果已于近期发表在了《材料化学杂志》上。具体而言,该团队设计了一种核壳型材料,其核心由涂有碳层的SiMP组成。然后,他们将碳氧化硅黑色玻璃作为外壳层接枝。

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测试表明,该材料具有很强的锂扩散能力,内阻和整体体积膨胀降低。即使在经过775次充放电循环后仍能保持99.4%的能量容量。此外,该材料在整个测试过程中表现出出色的机械稳定性。

在科学家们看来,这些结果为硅在下一代锂离子电池中的应用开辟了新途径。Matsumi指出,新工艺可以帮助弥合储能领域的实验室研究和工业应用之间的差距。这对于生产低成本电动汽车尤为重要。

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