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浙江大学研发新型高性能3D多孔硅负极材料
来源:ag体育    发布时间:2020-11-15 14:55:03

石墨代替金属锂作为负极,使得锂离子电池中的Li元素仍然不能以金属锂的形式存在。这在很大程度上防止了锂枝晶在电池过程中的频繁出现,大大提高了锂离子电池的安全性。

可以说,石墨负极的频繁出现,确实使得锂离子电池的建造和商业化应用。但随着电子技术发展缓慢,电动汽车迅速普及,市场对高比能量锂离子电池的市场需求更加反感,而传统石墨材料的理论比容量仅为372mAh/g,相比之下无法满足高比能量锂离子电池的市场需求。在巨大市场需求的刺激下,各种新型阴极材料竞争频繁。例如硅基负极材料、锡基负极材料、掺氮多孔石墨材料和过渡金属硫化物负极(如二硫化钼)等。

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在这些新的负极材料中,硅基负极材料目前在技术上更加成熟,并且已经构建用于小规模商业应用。与石墨材料相比,硅基负极材料的平均理论比容量为4200mAh/g,金锂后的电位为1V,非常适合作为锂离子电池负极材料,但硅负极没有可怕的漏缩。

体积收缩是任何锂离子电极材料在干锂和金锂过程中面临的问题,但这个问题对于Si负极来说最为严重。在几乎嵌锂的状态下,Si负极的平均收缩率为300%,不仅不会导致Si负极颗粒的碎裂,而且不会破坏负极板的结构,会导致负极粉化开裂,造成电池容量的不可逆损失。

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为了解决上述问题,人们开始通过硅负极的纳米化简和硅/碳填充来改善硅负极的收缩率。纳米简化粒子可以增加体积收缩,通过碳填充,碳可以吸收硅负极的体积收缩,从而提高硅负极的循环性能。

石墨填充不会影响电极中硅的比例,从而影响比容量。因此,人们试图生产各种具有独特结构的硅电极材料,如蜂窝结构和薄膜结构。在电池制造过程中,这些结构的特性需要很好地吸收Si阴极产生的收缩。

最近,浙江大学的吴昊通过镁热反应制备了三维结构的大孔硅阴极材料。在电池充放电过程中,这种相互连通的孔隙结构需要很好地吸收硅阴极的收缩,从而大大提高硅阴极的循环性能。800次循环后,容量仍为1058mAh/g,容量维持率为91%,库仑效率超过99.4%。

吴昊还通过控制反应条件,用一定程度的前驱体和一定程度的方法制备了0D空心硅纳米球。制备过程如下:首先将直径约200纳米的二氧化硅颗粒与镁粉混合,然后放入管式炉中,在氩气的维护下,在700净化5小时,所得产物在盐酸中加热6小时,以清除未反应的氧化镁。。

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