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新电池技术可以提升10倍的锂电池容量

新电池技术可以提升10倍的锂电池容量

由于市场电子设备对长时间续航工作的硬性要求,提高锂电池高容量是锂电池行业一直注重的核心问题。那么提高锂电池单位能量密度来提升电池的容量就是一个比较有效的电池技术方案。

新电池技术可以提升10倍的锂电池容量

目前负极材料开发方向主要是提高材料的容量发挥,例如现在技术比较成熟的Si基材料,处于研发阶段的氮掺杂石墨类材料和以及金属硫化物等材料容量发挥都可达到1000mAh/g以上,远高于石墨类材料。值得注意的是近年来,金属锂(比容量达到3860mAh/g)负极材料由于安全性问题和循环寿命问题逐步得到解决,也开始逐渐引起人们的注意。在目前众多的高容量负极材料中,Si基负极材料凭借着丰富的资源储量,低廉的价格获得了广泛的关注和研究,是目前生产和应用技术最为成熟,商业化程度最高的高容量负极材料,也是下一代高比能锂离子电池负极材料的强有力竞争者。

以再利用硅为原材料,比如太阳能电池板中的硅,并将其加工成含硅纳米颗粒的碳基体。在每个颗粒中,受化学物质影响,碳化硅纤维开始生长,在表面形成类似绒毛的东西,并与其他颗粒上的绒毛相连接,提供机械保护。

目前,在锂离子电池中,硅被认为是最有望替代石墨的负极材料。如果将石墨负极换成硅负极,电池容量可以提高大约10倍。但是,在充电过程中,硅会膨胀,破坏电池内部结构。很多公司希望,通过调整硅片或硅颗粒的微结构,来解决这一问题。

这种粉末可应用于不同浓度的石墨负极。浓度越高,存储容量越大。加入不同数量的硅纳米颗粒。例如,如果你想在不用冷却的情况下,让电池持续充电1000次,负极中的硅含量可以提高至15%。有时,只需250个循环周期,就可以加70%以上的硅。

硅是目前人类至今为止发现的比容量(4200mAh/g)最高的锂离子电池负极材料,是一种最有潜力的负极材料,但硅作为锂电池负极应用也有一些瓶颈,第一个问题是硅在反应中会出现体积膨胀的问题。通过理论计算和实验可以证明嵌锂和脱锂都会引起体积变化,这个体积变化是320%。所以不论做成什么样的材料,微观上,在硅的原子尺度或者纳米尺度,它的膨胀是300%。在材料设计时必需要考虑大的体积变化问题。高体积容量的材料在局部会产生力学上的问题,通过一系列的基础研究证明,它会裂开,形成严重的脱落。

硅体积膨胀会导致一系列结果

1。颗粒粉化,循环性能差

为什么说硅碳材料是最有潜力的锂电池负极

2.活性物质与导电剂粘结剂接触差

为什么说硅碳材料是最有潜力的锂电池负极

3.硅表面的SEI膜是比较厚且不均匀的,受温度和添加剂的影响很大,会影响锂离子电池中整个比能量的发挥。

从长期的基础研究来看,①通过硅粉纳米化;②硅碳包覆;等技术手段可以有效解决硅在锂电池负极应用中遇到的问题。无论是纳米硅碳还是氧化亚硅碳,硅力求做到以下几点:

硅粒径:<20nm(理论上越小越好)

均匀度:标准偏差小于5nm

纯度:>99。95%

形貌:100%球形率

另外,完整的表面包覆非常重要,防止硅和电解液接触,产生厚的SEI膜的消耗。微观结构的设计也很重要,要来维持在循环过程中电子的接触,离子的通道,体积的膨胀。

碳包覆机理在于:Si的体积膨胀由石墨和无定形包覆层共同承担,避免负极材料在嵌脱锂过程因巨大的体积变化和应力而粉化。碳包覆的作用是:

(1)约束和缓冲活性中心的体积膨胀

(2)阻止纳米活性粒子的团聚

(3)阻止电解液向中心渗透,保持稳定的界面和SEI

(4)硅材料贡献高比容量,碳材料贡献高导电性

硅基负极材料主要分为两大类:1)晶体硅材料;2)氧化亚硅材料。晶体硅材料最大的优势是容量高,在完全嵌锂状态下晶体硅材料的比容量可达4200mAh/g(Li4.4Si),达到石墨材料的10倍以上,甚至要比金属锂负极的容量(3860mAh/g)还要高,但是硅负极材料也存在严重的体积膨胀问题,在完全嵌锂状态下,Si负极的体积膨胀可达300%,这不仅仅会导致Si负极的颗粒破碎,还会破坏电极的导电网络和粘接剂网络,导致活性物质损失,从而严重影响硅负极材料的循环性能,这也成为了阻碍Si负极材料应用最主要的障碍。解决Si材料体积膨胀大的问题的思路主要有三个:1)纳米化,通过制备纳米硅颗粒、纳米硅薄膜等手段,抑制Si在充放电过程中的体积变化;2)制备特殊形状的Si晶体材料,例如蜂窝状材料,树枝状的Si材料,利用Si材料自身的形变吸收充放电过程中的体积变化,改善Si材料的循环性能;3)Si/C复合材料,通过Si与石墨材料复合,利用石墨材料缓冲Si材料在循环过程中的体积变化,以改善Si材料的循环性能。

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