鋰離子電池硅碳復(fù)合負(fù)極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究進(jìn)展

黃玥，徐鵬，張旭紅，王鼎，許明標(biāo)

(1.長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000)

在過去的20年里，鋰離子電池(LIBs)已經(jīng)成功地主導(dǎo)了便攜式電子市場，并為汽車電動化展示了巨大的前景。該技術(shù)發(fā)展迅速，能量密度以每年7%～10%的速度提高。然而，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電動汽車的特殊能量要求[1]。石墨作為商用鋰電池的負(fù)極材料，其理論比容量已接近372 mAh/g，只能提供約150 Wh/kg的比能量，不足以滿足電動汽車對媲美燃油車的比能量的要求。此外，目前我國《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》規(guī)定，到2020年電動汽車的比能量目標(biāo)必須達(dá)到350 Wh/kg[2]。因此，新型負(fù)極材料的研究和開發(fā)是高性能鋰電池應(yīng)用的迫切需要。Si/C復(fù)合材料由于其超高理論比容量和高導(dǎo)電性有望成為下一代高性能鋰離子電池負(fù)極材料，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選擇及其綜合性能突破已成為國內(nèi)外研究工作者及諸多企業(yè)的首要目標(biāo)。本文從基礎(chǔ)科學(xué)的角度和工業(yè)的角度總結(jié)了硅碳負(fù)極材料的最新研究進(jìn)展，主要涵蓋了硅碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合成路線和電化學(xué)性能。

1 硅/碳復(fù)合負(fù)極材料研究現(xiàn)狀

Si具有超高的理論比容量3 590 mAh/g(基于完全合金化形式的Li15Si4)和較高的工作電壓(～0.4 V vs.Li/Li+)被認(rèn)為是最有希望替代商業(yè)用石墨的負(fù)極之一，且資源豐富，環(huán)境友好[3]。然而，目前Si負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用受到多重阻礙。主要原因是Si在完全脫鋰后體積變化較大(約300%)，在反復(fù)的嵌鋰/脫鋰過程中產(chǎn)生膨脹/收縮應(yīng)力，導(dǎo)致Si材料發(fā)生嚴(yán)重?cái)嗔裑4]。……