淺析新材料可使鋰電池負(fù)極容量提高7倍

得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校(University of Texas at Austin)的研究人員開發(fā)出一種可升級(jí)的化學(xué)方法，可以合成鍍銅氫化非晶硅微粒(A-Si：hydrogenated amorphous silicon)，采用的是多元醇(polyol)還原法，這種微?？捎米麂囯x子電池負(fù)極材料。氫存在于氫化非晶硅微粒中，有利于銅粒子成核;現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，氫化非晶硅微粒中的氫含量會(huì)顯著影響氫化非晶硅微粒上的銅沉積量。

高分辨率界面光譜電化學(xué)研究采用原位拉曼光譜，說(shuō)明銅涂層在氫化非晶硅上的作用。

有一篇論文發(fā)表在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)(ACS)3月8日的《材料化學(xué)》(Chemistry of Materials)雜志上，題為《銅涂層非晶硅粒子用作鋰離子電池負(fù)極材料》(Copper-Coated Amorphous Silicon Particles as an Anode Material for Lithium-Ion Batteries)，他們報(bào)告說(shuō)，氫化非晶硅微粒上的銅涂層的作用是，(1)增強(qiáng)電荷轉(zhuǎn)移應(yīng)力，降低電荷轉(zhuǎn)移電阻;(2)實(shí)現(xiàn)高度可逆的更高的電荷儲(chǔ)存容量;(3)更好地耐受循環(huán)中的體積膨脹和收縮過程。

他們已經(jīng)探索過不同的方法，用于解決體積膨脹和收縮的問題，這一問題產(chǎn)生于硅陽(yáng)極的鋰化(lithiation)和脫鋰(delithiation)。有一種方法是使用納米結(jié)構(gòu)材料，如納米晶體，納米線，納米管或納米棒，等等，不幸的是，在生產(chǎn)這些材料時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)合理的成本，也難以達(dá)到所需的大宗數(shù)量，以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。此外，縮小硅的尺寸以及尺寸的差異性，還不足以有效地抑制具體的體積變化，或減少粒子之間的聚集。

還有一種方法也可以提高硅的穩(wěn)定性，就是與其他韌性材料形成合金，用于減輕體積膨脹，或使用納米尺寸的材料，均勻分散在緩沖矩陣(buffer matri)中。融入緩沖材料是有利的，因?yàn)樗鼈儠?huì)減輕體積膨脹，也會(huì)減少循環(huán)過程中的斷裂。通常情況下，碳材料已用作一種緩沖材料，用于不同的結(jié)構(gòu)配置。然而，在上述所有的方法中，應(yīng)該注意，很好理解的是，離子和電子電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)如何受到影響，也就是受硅納米結(jié)構(gòu)緩沖劑的影響，也很好理解，可逆性容量的大量損失究竟是因?yàn)楣璨牧媳旧?，還是因?yàn)榫彌_矩陣，這些矩陣使活性物質(zhì)結(jié)合在一起。

晶體硅的電化學(xué)鋰化和脫鋰會(huì)導(dǎo)致非晶化，但只是在幾個(gè)周期中是這樣，一些研究探討使用非晶硅，用于鋰離子電池，因?yàn)槭褂镁w硅沒有優(yōu)勢(shì)。非晶硅有其他的潛在優(yōu)勢(shì)，勝過晶硅，因?yàn)樗深A(yù)測(cè)的體積膨脹更小，鋰離子擴(kuò)散長(zhǎng)度更短，電荷轉(zhuǎn)移電阻也更小。納米非晶硅可更好地耐受體積膨脹和收縮過程。長(zhǎng)期穩(wěn)定的放電容量比：(A)銅涂層氫化非晶硅;(B)原始?xì)浠蔷Ч?中間紅線表示石墨的理論存儲(chǔ)容量。