鋰電池矽負極失效機理

當Si與Li形成Li4Si結構時,理論比容量可以達到4200mAh/g,是最有望成為未來的負極材料之一。但是,其在擁有高比容量的同時,伴隨著較大的體積膨脹,高達300%,成為了阻攔Si負極在應用路上最大的阻力。那麼,鋰電池矽負極失效機理是什麼?

矽負極材料的失效主要是由於蓄電池在工作時嵌鋰和脫鋰過程產生較大的應力,導致體積發生變形Si顆粒產生裂紋和破裂。為了緩解矽負極體積膨脹的問題,人們開發了SiOx材料,相對於純Si材料,其體積效應明顯得到緩解。為了再次升高氧化矽材料的性能,研究者們將SiOx與C進行複合,此材料也是目前實際應用較廣的一種負極,但其仍存在失效問題,這與Li+嵌入速度、電解液種類和負極微觀結構密切相關。

鋰電池圖片

SiO是Si和Si的多種氧化物複合成的。在生產中,SiO是利用Si和SiO2在真空中高溫反應而成,其在1000-1400℃下會發生歧化反應,生成Si和Si2O3,通過STEM觀察發現無定形SiOx中分佈著一些無定形納米Si。另外,由於高溫作用,該複合材料還存在一些結晶Si,所以說Si的形態也比較多種。研究表明,Li嵌入到SiOx中,會形成多種化合物,例如Li2O,Li2Si2O5,Li2SiO3等,而且這一過程是不可逆的,這些鋰矽化合物會成為Si負極體積膨脹的緩衝帶,減小離子應力對負極結構的破壞,不過這種緩衝作用是有限的,不能完全保證SiOx材料的迴圈性能。

對此,研究者將Si/SiOx顆粒與石墨進行複合,進而能保證Li+與Si負極充分反應,同時也有助於脫鋰過程,但是隨著充放電的進行,由於Si/SiOx體積反復膨脹變化,SEI膜逐漸變厚,使得體相和表面之間逐漸分離,使得Si材料與石墨顆粒之間接觸不良,尤其是在脫鋰時顆粒體積收縮,使得嵌入其中的Li+無法脫出,降低材料的庫倫效率。

SiOx/C複合材料是目前性能較為優良的一種負極材料,有著較好的迴圈性能,隨著科技的不斷升級,相信其缺點在今後能得到較大彌補。

 

 

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