高能量密度鋰電池研究獲進(jìn)展

針對(duì)硅碳負(fù)極材料的體積膨脹問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的研究團(tuán)隊(duì)近日從源頭出發(fā)，構(gòu)筑出高機(jī)械穩(wěn)定的自機(jī)械抑制石墨烯復(fù)合硅碳負(fù)極材料，并建成了百噸級(jí)石墨烯復(fù)合硅碳負(fù)極材料中試生產(chǎn)線。

研究人員表示，由于硅基負(fù)極材料的可逆容量與體積膨脹呈線性關(guān)系，通過機(jī)械限制體積膨脹，可有效控制硅基負(fù)極材料的可逆容量。石墨烯是已知的機(jī)械性能最高的材料，但其片層之間的弱黏附力較弱，宏觀結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度較差，瀝青裂解碳可有效縫合石墨烯，提升石墨烯宏觀體的機(jī)械穩(wěn)定性。

研究人員將氧化亞硅(SiOx)和石墨烯漿料在液相體系混合均勻，用瀝青作為添加劑，通過噴霧干燥、高溫?zé)崽幚砗突瘜W(xué)氣相沉積等工藝，制備類球形的石墨烯/瀝青裂解碳封裝硅氧化物復(fù)合負(fù)極材料(SGC)。研究表明，石墨烯改性后的SGC負(fù)極，粉體電導(dǎo)率可提高2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，當(dāng)石墨烯含量超過7%時(shí)，石墨烯的潤滑作用有利于提升粉體壓實(shí)密度。且SGC復(fù)合負(fù)極材料可抑制SiOx攝鋰量，降低體積膨脹，提升循環(huán)穩(wěn)定性。

以此為基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解決了石墨烯復(fù)合硅碳負(fù)極材料規(guī)模化制備技術(shù)難題，依托寧波富理電池材料科技有限公司建成了百噸級(jí)石墨烯復(fù)合硅碳負(fù)極材料中試生產(chǎn)線。應(yīng)用該高性能的石墨烯復(fù)合硅碳負(fù)極材料，他們進(jìn)一步研制出能量密度達(dá)350 Wh/kg～400 Wh/kg的系列新型高能量密度鋰離子電池;與寶能集團(tuán)旗下昆山聚創(chuàng)新能源科技有限公司共同研發(fā)并實(shí)現(xiàn)310 Wh/kg動(dòng)力電池裝車應(yīng)用示范。

動(dòng)力電池、消費(fèi)類電池等終端產(chǎn)品對(duì)高能量密度鋰離子電池需求日益增強(qiáng)。目前，產(chǎn)業(yè)界主要采取硅碳復(fù)合路線來提升硅基負(fù)極應(yīng)用水平，450 mAh/g以下的硅碳復(fù)合負(fù)極材料在循環(huán)性、倍率性等方面基本能夠滿足應(yīng)用要求，450 mAh/g以上的硅基負(fù)極應(yīng)用還存在技術(shù)難點(diǎn)。高比容量的硅碳負(fù)極材料嵌/脫鋰過程體積膨脹巨大，循環(huán)過程中活性材料會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致電接觸變差、表面固體電解質(zhì)膜(SEI膜)反復(fù)破裂/再生導(dǎo)致電解液快速消耗、鋰離子電池可逆容量迅速衰減。因此，高比容量、長循環(huán)穩(wěn)定的硅碳復(fù)合負(fù)極材料開發(fā)充滿挑戰(zhàn)。