作者:杨全红等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/2/9 16:52:10
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为微米硅碳穿上金刚软甲,构建致密储能锂电池

在快速发展的能源互联网时代,作为高性能智能终端的电动汽车和3C消费品电子器件对二次电池提出解决“空间焦虑”的命题:如何在尽可能小的体积内存储尽可能多的能量。致密储能,即如何提高电池体积能量密度,成为新型电池设计的“必修课”之一。

新一代高比容量硅负极是重要的解决方案。与广泛研究的纳米硅相比,大尺寸的微米硅具有更高的振实密度和更小的表面积,除了其超低成本的天然秉性,在提高体积性能与限制界面副反应等方面也具备优势。同时,也正因其大尺寸,微米硅在实际应用的嵌锂膨胀和电极压实过程中局域应力都更为凸显,导致电极循环持久性极差,成为其产业化过程中的拦路虎。

近日,天津大学化工学院杨全红教授研究团队(Nanoyang团队)及其合作者将其致密储能的设计思想运用于锂离子电池,在高致密微米硅碳负极材料构建方面取得重要突破。受植物细胞吸脱水过程中结构稳定性的启发,他们为微米硅颗粒设计了一种独特的如金刚软甲的碳包覆结构。如图1所示,利用水脱出产生的毛细收缩力,石墨烯片层高度交联(类“细胞壁”)并紧密地粘附在通过化学气相沉积得到的碳壳(类“细胞膜”)表面,形成致密收缩的“金刚软甲”结构,实现了应力释放、电子传输网络“一体化”。同时,碳壳与内部的微米硅活性颗粒之间预留有合适的空隙(类“细胞质”),形成笼状结构。最终,内部碳笼优异的机械柔性,叠加外部紧密互连石墨烯片的可滑移、抗断裂的“超韧”特性,可实现微米硅碳负极从实际制备到电化学循环、从单体颗粒到复合材料再到整体电极的全阶段、多层次的“金刚不坏”,从而获得了微米硅碳电极在长期循环过程中长达1000周结构稳定性的密钥。采用该工艺,制备得到锂离子软包电池的体积能量密度高达1048 Wh L−1

简而言之,应力管理是微米硅走向实用化的必修环节。该研究通过碳网络的极限收缩获得“金刚软甲”结构,实现了强韧碳缓冲结构的构建,缓解了微米硅负极的严重应力问题,同时完整稳定的碳表面保护也减少了副反应的发生,有效抑制了电解液消耗产热引起的电池安全性问题。基于微米硅负极的高效应力管理,“金刚不坏”的设计思想将有力助推低成本、高致密的微米硅负极产业化进程,对于面向智能互联时代的超高体积比能量锂电池跨越其发展的最后1公里具有重要的现实意义。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab012

 
 
 
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