淺析新材料可使鋰電池負(fù)極容量提高7倍

得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校(University of Texas at Austin)的研究人員開發(fā)出一種可升級的化學(xué)方法，可以合成鍍銅氫化非晶硅微粒(A-Si：hydrogenated amorphous silicon)，采用的是多元醇(polyol)還原法，這種微粒可用作鋰離子電池負(fù)極材料。氫存在于氫化非晶硅微粒中，有利于銅粒子成核;現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，氫化非晶硅微粒中的氫含量會顯著影響氫化非晶硅微粒上的銅沉積量。

高分辨率界面光譜電化學(xué)研究采用原位拉曼光譜，說明銅涂層在氫化非晶硅上的作用。

有一篇論文發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會(ACS)3月8日的《材料化學(xué)》(Chemistry of Materials)雜志上，題為《銅涂層非晶硅粒子用作鋰離子電池負(fù)極材料》(Copper-Coated Amorphous Silicon Particles as an Anode Material for Lithium-Ion Batteries)，他們報告說，氫化非晶硅微粒上的銅涂層的作用是，(1)增強(qiáng)電荷轉(zhuǎn)移應(yīng)力，降低電荷轉(zhuǎn)移電阻;(2)實現(xiàn)高度可逆的更高的電荷儲存容量;(3)更好地耐受循環(huán)中的體積膨脹和收縮過程。

他們已經(jīng)探索過不同的方法，用于解決體積膨脹和收縮的問題，這一問題產(chǎn)生于硅陽極的鋰化(lithiation)和脫鋰(delithiation)。有一種方法是使用納米結(jié)構(gòu)材料，如納米晶體，納米線，納米管或納米棒，等等，不幸的是，在生產(chǎn)這些材料時，很難實現(xiàn)合理的成本，也難以達(dá)到所需的大宗數(shù)量，以進(jìn)行實際應(yīng)用。此外，縮小硅的尺寸以及尺寸的差異性，還不足以有效地抑制具體的體積變化，或減少粒子之間的聚集。

還有一種方法也可以提高硅的穩(wěn)定性，就是與其他韌性材料形成合金，用于減輕體積膨脹，或使用納米尺寸的材料，均勻分散在緩沖矩陣(buffer matri)中。融入緩沖材料是有利的，因為它們會減輕體積膨脹，也會減少循環(huán)過程中的斷裂。通常情況下，碳材料已用作一種緩沖材料，用于不同的結(jié)構(gòu)配置。然而，在上述所有的方法中，應(yīng)該注意，很好理解的是，離子和電子電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)如何受到影響，也就是受硅納米結(jié)構(gòu)緩沖劑的影響，也很好理解，可逆性容量的大量損失究竟是因為硅材料本身，還是因為緩沖矩陣，這些矩陣使活性物質(zhì)結(jié)合在一起。

晶體硅的電化學(xué)鋰化和脫鋰會導(dǎo)致非晶化，但只是在幾個周期中是這樣，一些研究探討使用非晶硅，用于鋰離子電池，因為使用晶體硅沒有優(yōu)勢。非晶硅有其他的潛在優(yōu)勢，勝過晶硅，因為它可預(yù)測的體積膨脹更小，鋰離子擴(kuò)散長度更短，電荷轉(zhuǎn)移電阻也更小。納米非晶硅可更好地耐受體積膨脹和收縮過程。長期穩(wěn)定的放電容量比：(A)銅涂層氫化非晶硅;(B)原始?xì)浠蔷Ч?中間紅線表示石墨的理論存儲容量。