朱德伦, 彭雨晴, 白瑞成, 李爱军, 赵添婷, 孙宁霞

(上海大学材料科学与工程学院, 上海 200444)

由于3C 产品(计算机类、通信类和消费类电子产品的统称)和电动交通工具等的不断发展, 现阶段的商用锂电池越来越难以满足消费者的使用需求[1].目前, 商用石墨负极材料比容量较低(372 mA·h/g), 能量密度和功率密度有限.研发高容量负极是研制高比容量锂离子电池的重要前提[2-3].硅具有目前已知最高的理论比容量(4 200 mA·h/g)[4], 远高于传统石墨负极,且硅有更高的嵌/脱锂电位, 可有效避免大倍率充放电过程中锂的析出, 能够提高电池的安全性.同时, 硅的高比容量源于硅锂的合金化过程, 因而硅基负极材料不会与电解液发生溶剂共嵌入, 进而对电解液的适用范围更广.但是, 硅作为锂离子电池负极材料也有缺点: 锂离子的嵌入/脱出会引起硅颗粒巨大的体积效应(＞300%), 产生的机械作用力会使材料粉化导致电极活性物质与集流体剥离, 丧失电接触; 由于体积效应, 粉化暴露出的表面不断形成新的固体电解质界面(solid electrolyte interface, SEI)膜, 消耗电解液, 最终导致电池性能下降较大[5].

为改善硅基负极材料循环性能, 提高在循环过程中结构的稳定性和库仑效率, 通常将硅材料进行结构设计和复合.纳米颗粒[6]、纳米线[7]、纳米管[8]、多孔结构[9]、核壳结构[10]等都可以一定程度上抑制巨大的体积效应, 同时还能减小锂离子的扩散距离, 提高嵌/脱锂速率.但是, 由于结构增加了比表面积, 增大了硅材料与电解……