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  化工系魏飛教授課題組發文報道可長循環的硅基負極材料

  化工系魏飛教授課題組發文報道可長循環的硅基負極材料

  清華新聞網7月10日電 7月4日,清華大學化工系魏飛教授課題組在知名期刊《納米快報》(Nano Letters)上在線發表“碳化硅作為抑制化學反應的保護層增強硅基負極穩定性”(Silicon Carbide as a Protective Layer to Stabilize Si-Based Anodes by Inhibiting Chemical Reactions )的研究文章,標志課題組在鋰離子電池硅基負極材料的研究領域取得重要進展。

  自鋰離子電池商用化以來,人們一直在致力于提高其能量密度。Si基材料由于其具有高的比容量(4200 mAh/g),成為最具有潛力的能夠取代商用石墨負極(372 mAh/g)的材料。但是Si基材料在充放電過程中存在巨大的體積膨脹及粉化問題,導致其循環穩定性差,阻礙了其實際應用。經過20多年的研究,研究者們從材料結構、納米化、合金化改進,碳包覆等角度進行調控,已經能夠部分解決硅基材料的問題,如特斯拉Model 3電動車中鋰電池已商用化加入約10%的Si基負極。但其循環性能差的問題依然突出。

  

 

  圖. A)不同材料與電解液反應產物的XRD 結果表征;B)不同材料與電解液副反應的活化能比較;C) 在1 A/g的電流密度下的循環性能測試。

  本研究發現,在目前的硅負極電池體系下,不僅有硅的體積膨脹與粉化問題,而且Si會與電解液中的氟發生化學反應形成氟硅酸鋰結晶體,不斷消耗電池體系里有限的Li源、Si源和電解液,進而會導致電池失效。包覆的納米碳層并不能阻止氟與硅的接觸,反而是個促進這一反應的催化劑,成倍地降低了反應的活化能并成百倍地加速這一反應進程。

  為了抑制這一副反應的發生,在Si表面包覆一層致密的納米級厚度碳化硅陶瓷層,阻止氟化物的滲入并穩定硅負極的體積膨脹以達到抑制副反應、穩定SEI層的目的。包覆SiC陶瓷層后,副反應的活化能變為原來的三倍,對應的室溫下的反應速率降為原來的1/300。通過在實際的電池體系下進行電化學性能測試,包覆SiC后的材料循環穩定性得到大幅度提高。上述成果可望為Si基負極材料的穩定性研究提供一種新的解決思路,推進硅基負極材料的商用化。

  清華大學化工系魏飛教授是該文的通訊作者,博士生于春輝和博士后陳曉為共同第一作者,清華大學化工系助理教授張如范、博士生肖哲熙、博士后林賢清、博士后張晨曦等參加了該項工作。該研究得到了國家自然科學基金重點研發項目資助。

  魏飛教授團隊長期致力于鋰離子電池導電劑的研發,利用流化床技術制備出的陣列碳納米管已經批量應用于商用鋰離子電池中,并形成萬噸級碳納米管鋰離子電池導電漿料產業化技術。本項目成果是該團隊在電池材料方面的又一項新進展。

  轉載自:清華新聞網

 

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