近日，加拿大滑鐵盧大學(xué)應用納米材料與清潔能源實(shí)驗室陳忠偉教授的科研團隊協(xié)同WATTECH POWER INC.（加拿大滑鐵盧大學(xué)科技公司）成功開(kāi)發(fā)了一種石墨烯硅基鋰離子電池技術(shù)，這項技術(shù)采用55%以上的硅材料作為負極活性材料，硫摻雜的石墨烯以及聚丙烯腈作為輔助，通過(guò)簡(jiǎn)單的高溫處理，實(shí)現電極微觀(guān)結構的構筑成型，其內部各材料間的相互協(xié)同效應解決了硅材料的體積膨脹，電導率低等問(wèn)題，所測試的電化學(xué)性能與目前商業(yè)化電池相比，比容量提高了6-7倍，循環(huán)壽命達到2200次以上。
日前，此項研究成果已經(jīng)在頂級科學(xué)期刊《自然通訊》上發(fā)表。在文中，對硅基電極微觀(guān)結構的構筑成型以及其內部的協(xié)同效應如何發(fā)揮作用，作了詳細地闡釋。
由硅納米顆粒、硫摻雜的石墨烯以及聚丙烯腈混合材料涂覆后的負極極片經(jīng)高溫處理后，硅會(huì )與周?chē)蚧┲械牧蛞怨矁r(jià)鍵的相互作用被相對固定到一個(gè)位置，而聚丙烯腈將會(huì )進(jìn)行環(huán)化反應形成一個(gè)含氮的穩定六圓環(huán)結構的石墨化碳。如此，通過(guò)熱處理，一個(gè)穩定的原子尺度的結構構筑成型；其中，一方面，硅通過(guò)共價(jià)作用被以石墨烯納米片層所組成的支架所保護，另一方面，石墨化的聚丙烯腈形成的網(wǎng)絡(luò )結構，進(jìn)一步加強了對硅穩定的防護。同時(shí)，由于有石墨烯和石墨化碳的存在，這種穩定的三維結構體也顯示絕佳的導電性。以上結構的形成，在論文中結合一系列的實(shí)驗表征手段得到了詳細地論證，例如，用密度泛函計算了硅與硫化石墨烯的結合力；用x射線(xiàn)光電子能譜確認了結構體的元素分布和組成等。
正是由于這種電極微觀(guān)結構的構筑成型，使得電極在充放電過(guò)程中硅的體積膨脹能夠被固定到一定的空間范圍之內，電極結構不會(huì )被破壞，確保了電極能夠到達2000次的循環(huán)壽命；另外，此結構體高的電子和鋰離子傳導性也保證了硅材料容量的正常發(fā)揮，即在0.1A g-1電流循環(huán)100次，整體電極的平均容量達到2750mAh/g-1；在更高倍率2 A g-1循環(huán)2275次，容量依然能夠保持在1000mAh/g-1以上。
 此項技術(shù)對電極使用了簡(jiǎn)單的熱處理，這一創(chuàng )新解決了長(cháng)久以來(lái)困擾鋰電材料領(lǐng)域的由于硅材料體積脹縮導致其無(wú)法應用的全球性技術(shù)難題，因此此項技術(shù)一經(jīng)推出，便獲得2015年度RD100提名大獎，獲得業(yè)界人士認可，擁有高能量長(cháng)壽命的真正的硅基鋰離子電池指日可待?？上驳氖?，這次重大的科學(xué)突破工藝操作上簡(jiǎn)單易行，而且在成本上，由于硅高比容量，是目前商業(yè)化石墨電極實(shí)際比容量的3-7倍，據此，相同容量的硅基鋰離子電池中硅的用量約是傳統鋰離子電池中石墨用量的1/7-1/3，而且隨著(zhù)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，硅材料產(chǎn)能水平的提升，這使得整體硅基電池的成本與目前商業(yè)化鋰離子電池基本持平甚至還要低于。
根據現行研發(fā)進(jìn)度，此硅基鋰離子電池能夠滿(mǎn)足商業(yè)化的能量型鋰離子電池的需求，如消費類(lèi)電子產(chǎn)品手機筆記本以及可穿戴電子設備等。此類(lèi)產(chǎn)品要求電池具有高的能量密度，和較穩定的循環(huán)壽命。另外，根據目前測試，更高倍率的充放電，如2C，將不會(huì )對硅基材料以及整個(gè)電極的結構造成破壞。這樣，此硅基鋰離子電池在要求高倍率充放電的領(lǐng)域（如電動(dòng)汽車(chē)，電動(dòng)工具等）的應用也即將實(shí)現。
目前，陳忠偉教授與WATTECH POWER INC.（滑鐵盧大學(xué)科技公司）共同攜手開(kāi)發(fā)此技術(shù)，即將進(jìn)入中試階段，據其保守估計，此硅基鋰離子電池將于2016年下半年進(jìn)入市場(chǎng)。
作者：中國電池網(wǎng) 梁小婧
?歡迎進(jìn)入【粉體論壇】
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關(guān)注中國粉體技術(shù)網(wǎng)官方微信（bjyyxtech）
|
