新材料可使锂电池负极容量提高7倍

来源于： 中国化工信息网
　　得克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)的研究人员开发出一种可升级的化学方法，可以合成镀铜氢化非晶硅微粒(A-Si：hydrogenated amorphous silicon)，采用的是多元醇(polyol)还原法，这种微粒可用作锂离子电池负极材料。氢存在于氢化非晶硅微粒中，有利于铜粒子成核;现在发现，氢化非晶硅微粒中的氢含量会显著影响氢化非晶硅微粒上的铜沉积量。
　　有一篇论文发表在美国化学学会(ACS)3月8日的《材料化学》(Chemistry of Materials)杂志上，题为《铜涂层非晶硅粒子用作锂离子电池负极材料》(Copper-Coated Amorphous Silicon Particles as an Anode Material for Lithium-Ion Batteries)，他们报告说，氢化非晶硅微粒上的铜涂层的作用是，(1)增强电荷转移应力，降低电荷转移电阻;(2)实现高度可逆的更高的电荷储存容量;(3)更好地耐受循环中的体积膨胀和收缩过程。
　　他们已经探索过不同的方法，用于解决体积膨胀和收缩的问题，这一问题产生于硅阳极的锂化(lithiation)和脱锂(delithiation)。有一种方法是使用纳米结构材料，如纳米晶体，纳米线，纳米管或纳米棒，等等，不幸的是，在生产这些材料时，很难实现合理的成本，也难以达到所需的大宗数量，以进行实际应用。此外，缩小硅的尺寸以及尺寸的差异性，还不足以有效地抑制具体的体积变化，或减少粒子之间的聚集。
　　还有一种方法也可以提高硅的稳定性，就是与其他韧性材料形成合金，用于减轻体积膨胀，或使用纳米尺寸的材料，均匀分散在缓冲矩阵(buffer matri)中。融入缓冲材料是有利的，因为它们会减轻体积膨胀，也会减少循环过程中的断裂。通常情况下，碳材料已用作一种缓冲材料，用于不同的结构配置。然而，在上述所有的方法中，应该注意，很好理解的是，离子和电子电荷转移动力学如何受到影响，也就是受硅纳米结构缓冲剂的影响，也很好理解，可逆性容量的大量损失究竟是因为硅材料本身，还是因为缓冲矩阵，这些矩阵使活性物质结合在一起。
　　晶体硅的电化学锂化和脱锂会导致非晶化，但只是在几个周期中是这样，一些研究探讨使用非晶硅，用于锂离子电池，因为使用晶体硅没有优势。非晶硅有其他的潜在优势，胜过晶硅，因为它可预测的体积膨胀更小，锂离子扩散长度更短，电荷转移电阻也更小。纳米非晶硅可更好地耐受体积膨胀和收缩过程。
　　研究人员制备他们的电极，需要创造氢化非晶硅粒子浆料，或铜涂层的氢化非晶硅，用作活性物质，超级P炭黑用作电子导体，聚偏二氟乙烯(PVDF：Polyvinylidene Fluoride)溶解在甲基吡咯烷酮(NMP)中，作为粘结剂，需要采用70:20:10的重量比。100%的非晶硅碳电极，制备要采用90:10比例的活性物质和聚偏二氟乙烯，分别溶解在甲基吡咯烷酮中，作为粘结剂。