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              1. 2020-06-01

                下一代鋰電池負極材料:硅負極

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                        下一代鋰電池負極材料:硅負極

                            導讀: 提起硅負極你想到的是什么呢?大容量、高體積膨脹?硅負極作為新一代的鋰離子電池負極材料,其容量*高可達4200mAh/g,是石墨負極材料的10倍以上,是*具希望的下一代鋰離子電池負極材料。

                            OFweek鋰電網訊 提起硅負極你想到的是什么呢?大容量、高體積膨脹?硅負極作為新一代的鋰離子電池負極材料,其容量*高可達4200mAh/g,是石墨負極材料的10倍以上,是*具希望的下一代鋰離子電池負極材料。

                           

                            在這耀眼的光環下,硅負極也存在著難以克服的缺點,這主要源于硅負極在嵌鋰過程中嚴重的體積膨脹,在完全嵌鋰狀態下,硅負極的體積膨脹可達300%,這會造成材料顆粒的粉化和脫落,嚴重影響其電化學性能。人們竭力減少硅負極材料的體積膨脹,例如納米顆粒、薄膜電極、碳包覆處理等方法,都是人們為克服硅負極膨脹所做出的努力。體積膨脹對于鋰離子電池是一個壞消息,但是讓我們換個角度考慮一下,硅負極巨大的體積膨脹是不是還有一些特使的用途呢?

                           

                            清華大學的Jialiang Lang等人就利用了硅負極在充放電過程中的體積膨脹開發了一款“微型起重機”。該“微型起重機”實際上是一個軟包鋰離子電池,其正極采用了體積變化很小的LiFePO4材料,而負極使用了硅負極材料,電池容量為2.1Ah。并利用該電池進行了“舉水實驗”,在實驗中該電池通過充電“舉起”了637.5g的水,在完全充電狀態下電池膨脹所產生的壓強達到了25.8KPa,在后續的循環過程中產生了平均21KPa的壓力。后續的研究表明,該電池能夠產生的*高壓力可達17MPa。在整個充放電電壓平臺期間,該電池可以持續產生10MPa以上的壓力。在該過程中,充電產生的能量分為3部分,一部分轉化為機械能,一部分轉換為化學能儲存在電池中,一部分則轉化為熱能耗散了。

                            當然對于一款意在將電能轉換為機械能的設備,快速的響應的能力自然是十分重要的,Jialiang Lang對電池在快速充放電模式下,體積膨脹的響應速度進行了研究。研究表明電池膨脹對脈沖電流有著很好的響應速度。并且膨脹距離與充電時間基本呈現線性關系,在2A/g的電流密度下,膨脹速度為1.6nm/s,因此該方案可以用于納米精度的定位。電池的膨脹速度主要與硅負極的面密度、電池厚度和電流密度相關,因此在電池定型的前提下,我們可以通過控制電流的方式來控制電池的膨脹速度,從而達到我們所需要的控制精度。在該研究中,Si負極的容量發揮僅為800mAh/g,因此該“微型起重機”還有很大的提升空間。該“微型起重器”能夠**的產生納米尺度的位移,并能承受巨大的負載,因此可以應用在一些需要在納米級高精度定位的領域,例如操作掃描隧道顯微鏡的探針等。反其道而行之,往往能取得不錯的效果。


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