硅是有前景的負(fù)極材料，可用于高能鋰離子電池。然而，由于一系列挑戰(zhàn)，硅基負(fù)極的廣泛應(yīng)用受到阻礙。據(jù)外媒報(bào)道，華中科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇綜述文章，總結(jié)硅基負(fù)極面臨的挑戰(zhàn)，概述目前的硅基負(fù)極工程設(shè)計(jì)策略，并展望這種負(fù)極材料的發(fā)展前景。
該校材料科學(xué)與工程學(xué)院的胡先羅教授表示：“研究人員希望，從產(chǎn)業(yè)化的角度總結(jié)使用商用硅微粒制備的硅基電極的發(fā)展，如原料、制備工藝、產(chǎn)量和環(huán)境友好性等，為微尺度硅基負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用提供一些有價(jià)值的指導(dǎo)方針。”
作為下一代鋰離子電池的負(fù)極候選材料，硅具有強(qiáng)大的潛力，但仍需克服幾個(gè)挑戰(zhàn)。首先，該團(tuán)隊(duì)注意到，納米技術(shù)可使電極保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和長(zhǎng)期循環(huán)，但無法滿足產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的要求。這是因?yàn)槠湔駥?shí)密度低，副反應(yīng)嚴(yán)重，而且體積容量低，生產(chǎn)過程復(fù)雜，產(chǎn)量低。
其次，該團(tuán)隊(duì)指出，采用微尺度硅基負(fù)極設(shè)計(jì)，可明顯提高電極的整體性能。但是，在生產(chǎn)過程中，由于制造步驟比較復(fù)雜，不僅能耗高、污染重，而且產(chǎn)量低。
此外，該團(tuán)隊(duì)注意到，很多微尺度硅材料還在使用納米顆粒作為原材料，但這些顆粒并不適合規(guī)?；a(chǎn)。因此，研究人員一直在尋求簡(jiǎn)單而環(huán)保的方法，以實(shí)現(xiàn)低成本制造硅基材料，用于鋰離子電池。
考慮到硅基負(fù)極未來的商業(yè)化前景，研究人員指出，使用上述低等級(jí)硅基材料作為硅源時(shí)，關(guān)鍵在于保持電極結(jié)構(gòu)的完整性，以確保穩(wěn)定的循環(huán)性能。很多研究將關(guān)注點(diǎn)放在將多孔硅微粒與混合復(fù)合材料結(jié)合起來，很少關(guān)注對(duì)所設(shè)計(jì)的微尺度硅進(jìn)行失效機(jī)制分析。
該團(tuán)隊(duì)指出，在電池電極內(nèi)，通過粘合劑材料將活性材料顆粒結(jié)合在一起，對(duì)于保持結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。研究人員建議，開發(fā)一種具有自愈性和導(dǎo)電性的多功能聚合物粘合劑，將有助于提高電極的機(jī)械強(qiáng)度和建立擴(kuò)展導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。天然衍生聚合物具有良好的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，在這方面應(yīng)該可以發(fā)揮更大的作用。
胡教授表示：“硅是很有潛力的負(fù)極材料，可用于高密度鋰離子電池。從簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展、安全和可持續(xù)的技術(shù)角度，構(gòu)建高度穩(wěn)定的硅微粒電極，具有挑戰(zhàn)性和重要意義。”
展望未來，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，基于多尺度、多物理場(chǎng)的微尺度硅失效機(jī)制分析尚缺乏。研究人員需要開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)分析技術(shù)，以闡明設(shè)計(jì)策略和電極性能之間的關(guān)系。例如，需要深入了解孔分布對(duì)應(yīng)力擴(kuò)散的影響、活性顆粒結(jié)構(gòu)的演變，以及表面化學(xué)和電場(chǎng)分布對(duì)碳改性的依賴關(guān)系。研究人員提出，開發(fā)簡(jiǎn)單、環(huán)保、高效、可控、節(jié)能的合成技術(shù)，是滿足產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)要求的關(guān)鍵。
胡教授表示：“希望通過一條簡(jiǎn)單而環(huán)保的途徑，進(jìn)行電極材料設(shè)計(jì)、電解質(zhì)優(yōu)化和粘結(jié)劑創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)低成本硅基材料在全電池（full cell）中的應(yīng)用。”
原標(biāo)題： 華中科技大學(xué)探討鋰離子電池硅基微粒負(fù)極的發(fā)展前景
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