锂离子电池硅负极技术研究总结与展望

【成果简介】

南京大学现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组应邀在Advanced Energy Materials上发表进展报告 “Challenges and recent progress in the development of Si anodes for lithium-ion battery” (DOI: 10.1002/aenm.201700715)，对于近年来备受关注的锂离子电池硅负极进行了总结与展望。

【研究内容】

图1 锂离子电池硅基阳极的概述

a-c）基本挑战

d-f）面向商业化的挑战和最近进展

图2 硅阳极基本问题的解决方案

a）硅纳米线示意图

b）硅纳米颗粒尺寸依赖性断裂

【研究内容】

随着电子便携设备及电动汽车的快速发展需求，研究并开发高性能的锂离子电池尤为关键。锂离子电池硅负极被认为是下一代最理想的负极材料之一，由于其巨大的储量和超高的理论比容量（4200 mAh/g，相当于现在商业化石墨负极的十倍），成为了科技界、产业界关注的焦点之一。

该进展报告首先介绍了硅负极的基本问题和解决方案，然后着重总结了硅负极应对商业化还需要解决的难题以及近年来的进展，主要包括首圈库伦效率，振实密度和材料成本三个方面，最后在全电池性能和能量密度方面对将来的工作进行了展望。纳米结构的硅负极解决了硅嵌锂时体积膨胀而引发的材料粉碎和不稳定的SEI的问题，提高了电化学循环性能。但是纳米结构的高比表面积导致首圈库伦效率低，振实密度和面积比容量低，同时纳米结构的制备工艺复杂，成本高，这些因素严重影响了硅负极的商业化。该文从二次结构设计，预嵌锂和电解液添加剂三个方面总结了首圈库伦效率方面的进展，从微米结构设计，导电粘结剂方面总结了振实密度以及面积比容量的提高，从低纯度硅和自然界硅源来降低材料成本。最后在全电池性能和能量密度方面对将来的工作进行了展望。