膨脹負極的力學強化:「厚密」矽-碳電極新策略 | 成會明點評楊全紅研究組最新成果

2021-02-15 科學通報

1 Sun Y M, Liu N A, Cui Y. Promises and challenges of nanomaterials for lithium-based rechargeable batteries. Nat Energy, 2016, 1: 16071

2 Xu Q, Li J Y, Sun J K, et al. Watermelon-inspired Si/C microspheres with hierarchical buffer structures for densely compacted lithium-ion battery anodes. Adv Energy Mater, 2017, 7: 1601481

3 Lv W, Li Z J, Deng Y Q, et al. Graphene-based materials for electrochemical energy storage devices: Opportunities and challenges. Energy Storage Mater, 2016, 2: 107–138

4 Tao Y, Xie X Y, Lv W, et al. Towards ultrahigh volumetric capacitance: Graphene derived highly dense but porous carbons for supercapacitors. Sci Rep, 2013, 3: 2975

5 Qi C, Luo C, Tao Y, et al. Capillary shrinkage of graphene oxide hydrogels. Sci China Mater, 2019, https://doi.org/10.1007/s40843-019-1227-7

6 Zhang C, Lv W, Tao Y, et al. Towards superior volumetric performance: Design and preparation of novel carbon materials for energy storage. Energy Environ Sci, 2015, 8: 1390–1403

7 Li H, Qi C S, Tao Y, et al. Quantifying the volumetric performance metrics of supercapacitors. Adv Energy Mater 2019, 9: 1900079

8 Li H, Tao Y, Zheng X Y, et al. Ultra-thick graphene bulk supercapacitor electrodes for compact energy storage. Energy Environ Sci, 2016, 9: 3135–3142

9 Han J, Kong D, Lv W, et al. Caging tin oxide in three-dimensional graphene networks for superior volumetric lithium storage. Nat Commun, 2018, 9: 402

10 Li H, Tao Y, Zhang C, et al. Dense graphene monolith for high volumetric energy density Li–S batteries. Adv Energy Mater, 2018, 8: 1703438

11 Qin L, Zhai D, Lv W, et al. Dense graphene monolith oxygen cathodes for ultrahigh volumetric energy densities. Energy Storage Mater, 2017, 9: 134–139

12 Zhang J, Lv W, Tao Y, et al. Ultrafast high-volumetric sodium storage of folded-graphene electrodes through surface-induced redox reactions. Energy Storage Mater, 2015, 1: 112–118

13 Han J, Zhang C, Kong D, et al. Flowable sulfur template induced fully interconnected pore structures in graphene artefacts towards high volumetric potassium storage. Nano Energy, 2020, 72: 104729

14 Han J, Tang D M, Kong D, et al. A thick yet dense silicon anode with enhanced interface stability in lithium storage evidenced by in situ TEM observations. Sci Bull, 2020, 65: 1563–1569

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    基於此，開發了一系列穩定、具有協同效應、高性能的碳矽雜化電極體系，例如，含矽納米粒子的模板碳橋連取向石墨烯宏觀體（Nano Lett. 2015, 15, 6222）、仿扇貝形體的碳矽核殼雜化顆粒（Small 2018, 14, 1800752）、
  • ...技術在鋰離子電池中的最新研究進展及其在高比能矽負極中的應用...
    將0.2～0.3 mm厚的鋰箔（鋰箔與硬碳質量比6∶94）直接壓在硬碳電極的表面，和金屬鋰組成半電池時，開路電位為 0.3 V(vs. Li/Li+ )，首次庫侖效率高達100%，通過計算首次不可逆容量損失，可以加入化 學計量的金屬鋰，而不帶來安全隱患。和 LiCoO2正極組成全電池，庫侖效率可提高到 86%。相似的方法也被用於緩減矽負極首次不可逆容量損失，包括無定形的Si薄膜電極。
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    負極材料種類較多，可分類碳材料和非碳材料兩大類。前者包括人造石墨、天然石墨等 石墨類碳材料以及軟碳、硬碳等無定型碳材料；後者包括矽基、錫基、鈦基等合金型材 料。通過納米化、氧化亞矽及碳包覆等 手段形成矽碳複合材料減小體積效應對矽顆粒及 SEI 膜破壞從而提升循環性能。 電池體系：除了粘結劑、導電劑、電解液的綜合匹配以降低矽基材料體積膨脹的負 面影響外，乾電極技術及預補鋰技術有望成為突破的關鍵。
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