圖1 碳基負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形貌圖
圖2 硅基負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖及電化學(xué)性能圖
圖3 硅碳復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形貌圖及其電化學(xué)性能圖
在加速能源使用形式由化石能源向清潔能源轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略背景下，鋰離子電池（LIB）憑借其高能量密度、高功率、長(zhǎng)循環(huán)壽命、較高的工作電壓、放電平穩(wěn)、寬工作溫度范圍、無(wú)記憶效應(yīng)和安全性能較好等綜合優(yōu)勢(shì)，在實(shí)現(xiàn)環(huán)保而高效的能量存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)化方式方面顯得尤為重要。作為鋰離子電池的重要組成部分，負(fù)極自身的性能直接影響著整個(gè)電池體系的性能。
近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究員宋燕及其帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，通過(guò)對(duì)碳基及硅基負(fù)極材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效構(gòu)筑了一系列電極材料，實(shí)現(xiàn)了材料比容量、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能的顯著提升。基于商業(yè)負(fù)極材料石墨在結(jié)構(gòu)以及容量方面的局限性，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多方嘗試，如圖1。以天然石墨鱗片以及瀝青焦炭為原料，通過(guò)熱壓燒結(jié)的方式制備了石墨碳與多孔納米碳共存的鎳摻雜中空納米碳負(fù)極材料（Carbon,2013,64:537-556; Electrochimica Acta, 2013,112:394-402；專(zhuān)利授權(quán)號(hào)201210363338.4）。隨后，團(tuán)隊(duì)以瀝青為原料通過(guò)加壓縮聚的方式制備了類(lèi)石墨片層碳，此材料作為負(fù)極材料時(shí)不僅具備石墨的強(qiáng)穩(wěn)定性，其容量值也得到了提升（專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?02010121400.3）。針對(duì)硅基負(fù)極材料循環(huán)穩(wěn)定性差的特性，團(tuán)隊(duì)利用靜電作用在硅納米顆粒表面吸附陽(yáng)離子表面活性劑來(lái)實(shí)現(xiàn)核殼雙層保護(hù)，減弱并限制硅膨脹時(shí)應(yīng)力對(duì)材料結(jié)構(gòu)造成的破壞（Chemistry-A European Journal,2017,23:2165-2170；專(zhuān)利授權(quán)號(hào) 201610580560.8和201610580586.2）。為進(jìn)一步調(diào)控硅基雙包覆結(jié)構(gòu)的性能，采用硬模板法引入空腔來(lái)緩和硅的體積變化，實(shí)現(xiàn)提高容量以及循環(huán)穩(wěn)定性雙層目標(biāo)（Electrochimica Acta,2019,295:75-81），如圖2。
鑒于石墨材料高穩(wěn)定性以及硅高比容量的特性，制備了膨脹石墨與硅的復(fù)合電極，硅納米顆粒與石墨片層之間形成典型的三明治結(jié)構(gòu)，改善了材料的電子傳導(dǎo)特性，其表現(xiàn)出較為良好的性能（Carbon,2014,72:38-46）。在此基礎(chǔ)上，對(duì)膨脹石墨酸化并加入硅烷偶聯(lián)劑，實(shí)現(xiàn)硅納米顆粒在石墨片層之間的均勻分散，制備的復(fù)合電極片在0.4 A/g電流密度下循環(huán)450次后依然有接近800 mAh/g的比容量（Journal of Power Sources, 2018, 385:84-90；專(zhuān)利授權(quán)號(hào)201610993853.9）。
以上工作得到國(guó)家自然科學(xué)-山西省低碳聯(lián)合重點(diǎn)基金以及山西省自然科學(xué)基金的支持。
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