中國儲能網(wǎng)訊：相對于傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料（372mAh/g），硅負(fù)極材料具有極高的理論比容量（3580mAh/g），是未來高能量密度動力鋰離子電池負(fù)極材料首選。但硅負(fù)極材料在充放電循環(huán)過程中存在體積變化（高達(dá)3倍以上），造成硅顆粒粉化，從而引發(fā)SEI膜反復(fù)再生庫倫效率低，電接觸變差極化增大，使實(shí)際硅負(fù)極材料循環(huán)壽命和倍率性能較差。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所動力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室自2011年開展硅基負(fù)極材料的研究開發(fā)，已取得系列進(jìn)展。2012年報(bào)道了一種三維多孔的納米硅/石墨烯復(fù)合負(fù)極材料。近日，又報(bào)道了一種新型二維納米硅/二氧化硅復(fù)合負(fù)極材料（2D nano-Si/SiO2）。該工作利用層狀結(jié)構(gòu)CaSi2的拓?fù)滢D(zhuǎn)變，在酸性溶液中化學(xué)剝離Ca原子（圖1a），留下單原子層褶皺狀硅烯，由于Si原子只存在sp3雜化，硅烯極不穩(wěn)定，在水溶液中氧化得到亞穩(wěn)態(tài)二維硅氧烯（圖1b），二維硅氧烯經(jīng)過合適的熱處理?xiàng)l件脫水歧化得到二維納米硅/二氧化硅復(fù)合負(fù)極材料（2D nano-Si/SiO2），其中納米硅均勻分散于無定型硅氧化物（圖1c）。二維結(jié)構(gòu)可有效減少鋰離子遷移路程，納米硅和硅氧化物可有效降低了體積膨脹率，因此采用該方法制備的2D nano-Si/SiO2@C表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。電化學(xué)性能測試表明，在0.15A/g條件下，首次放電容量大于950mAh/g，在7.5A/g的大電流密度下，放電容量達(dá)360mAh/g，相比于文獻(xiàn)已報(bào)道的硅或硅氧化物材料，倍率性能具有顯著優(yōu)勢（圖2）；在1.5，3.0和7.5A/g的大電流密度下，循環(huán)300周容量保持率分別為73%，73%和92%（圖3）。該新型2D nano-Si/SiO2@C負(fù)極材料，有望應(yīng)用于長續(xù)航電動汽車（圖4）。
該研究工作以Two-dimensional silicon suboxides nanostructures with Si nanodomains confined in amorphous SiO2derived from siloxene as high performance anode for Li-ion batteries為題發(fā)表在Nano Energy上。
研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)與寧波石墨烯應(yīng)用技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目的資助。
圖1.a)硅氧烯剝離過程示意圖，b)硅氧烯分子結(jié)構(gòu)示意圖，c)碳包覆二維納米硅/二氧化硅復(fù)合納米負(fù)極材料的微結(jié)構(gòu)示意圖
圖2.本研究工作的二維納米硅/二氧化硅復(fù)合負(fù)極材料與文獻(xiàn)報(bào)道的硅基負(fù)極材料的高倍率性能對比圖
圖3.二維納米硅/二氧化硅復(fù)合負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性
圖4.二維納米硅/二氧化硅復(fù)合材料用于長續(xù)航電動汽車動力電池示意圖
