新材料可使鋰電池負極容量提高7倍

　　得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校(University of Texas at Austin)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種可升級的化學(xué)方法，可以合成鍍銅氫化非晶硅微粒(A-Si：hydrogenated amorphous silicon)，采用的是多元醇(polyol)還原法，這種微?？捎米麂囯x子電池負極材料。氫存在于氫化非晶硅微粒中，有利于銅粒子成核;現在發(fā)現，氫化非晶硅微粒中的氫含量會(huì )顯著(zhù)影響氫化非晶硅微粒上的銅沉積量。

　　高分辨率界面光譜電化學(xué)研究采用原位拉曼光譜，說(shuō)明銅涂層在氫化非晶硅上的作用。

　　有一篇論文發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會(huì )(ACS)3月8日的《材料化學(xué)》(Chemistry of Materials)雜志上，題為《銅涂層非晶硅粒子用作鋰離子電池負極材料》(Copper-Coated Amorphous Silicon Particles as an Anode Material for Lithium-Ion Batteries)，他們報告說(shuō)，氫化非晶硅微粒上的銅涂層的作用是，(1)增強電荷轉移應力，降低電荷轉移電阻;(2)實(shí)現高度可逆的更高的電荷儲存容量;(3)更好地耐受循環(huán)中的體積膨脹和收縮過(guò)程。

　　他們已經(jīng)探索過(guò)不同的方法，用于解決體積膨脹和收縮的問(wèn)題，這一問(wèn)題產(chǎn)生于硅陽(yáng)極的鋰化(lithiation)和脫鋰(delithiation)。有一種方法是使用納米結構材料，如納米晶體，納米線(xiàn)，納米管或納米棒，等等，不幸的是，在生產(chǎn)這些材料時(shí)，很難實(shí)現合理的成本，也難以達到所需的大宗數量，以進(jìn)行實(shí)際應用。此外，縮小硅的尺寸以及尺寸的差異性，還不足以有效地抑制具體的體積變化，或減少粒子之間的聚集。

　　還有一種方法也可以提高硅的穩定性，就是與其他韌性材料形成合金，用于減輕體積膨脹，或使用納米尺寸的材料，均勻分散在緩沖矩陣(buffer matri)中。融入緩沖材料是有利的，因為它們會(huì )減輕體積膨脹，也會(huì )減少循環(huán)過(guò)程中的斷裂。通常情況下，碳材料已用作一種緩沖材料，用于不同的結構配置。然而，在上述所有的方法中，應該注意，很好理解的是，離子和電子電荷轉移動(dòng)力學(xué)如何受到影響，也就是受硅納米結構緩沖劑的影響，也很好理解，可逆性容量的大量損失究竟是因為硅材料本身，還是因為緩沖矩陣，這些矩陣使活性物質(zhì)結合在一起。

　　晶體硅的電化學(xué)鋰化和脫鋰會(huì )導致非晶化，但只是在幾個(gè)周期中是這樣，一些研究探討使用非晶硅，用于鋰離子電池，因為使用晶體硅沒(méi)有優(yōu)勢。非晶硅有其他的潛在優(yōu)勢，勝過(guò)晶硅，因為它可預測的體積膨脹更小，鋰離子擴散長(cháng)度更短，電荷轉移電阻也更小。納米非晶硅可更好地耐受體積膨脹和收縮過(guò)程。

　　長(cháng)期穩定的放電容量比：(A)銅涂層氫化非晶硅;(B)原始氫化非晶硅;中間紅線(xiàn)表示石墨的理論存儲容量。

　　研究人員制備他們的電極，需要創(chuàng )造氫化非晶硅粒子漿料，或銅涂層的氫化非晶硅，用作活性物質(zhì)，超級P炭黑用作電子導體，聚偏二氟乙烯(PVDF：Polyvinylidene Fluoride)溶解在甲基吡咯烷酮(NMP)中，作為粘結劑，需要采用70:20:10的重量比。100%的非晶硅碳電極，制備要采用90:10比例的活性物質(zhì)和聚偏二氟乙烯，分別溶解在甲基吡咯烷酮中，作為粘結劑。

　　這樣制成的電極可用于紐扣電池(2032型)，使用鋰金屬作為反電極，1立方米氟磷酸鋰 (LiPF6)溶解在碳酸乙烯酯(EC：ethylene carbonate)和碳酸二乙酯(DEC：diethyl carbonate)中，采用1:1的體積比，作為電解液。研究小組測試了不同尺寸的氫化非晶硅顆粒，進(jìn)行電化學(xué)嵌鋰。

　　他們發(fā)現，氫化非晶硅最小顆粒(直徑380納米)的測試表明，首次循環(huán)中有相對較高的容量，就是580 mAh g-1，第二次循環(huán)中顯著(zhù)下降到165 mAh g-1，然后，第三次循環(huán)，進(jìn)一步降低到40 mAh g-1，電流速度是100 mA g-1。不同尺度顆粒的容量相差10到20 mAh g-1，所以，對于尺度大小沒(méi)有明顯的依賴(lài)。平均容量局限于大約50 mAh g-1。研究小組指出，這一存儲容量相當低，相比之下，晶體硅的最大存儲容量是3579 mAh g-1。

　　相比之下，銅涂層的氫化非晶硅顆粒呈現出的具體電荷存儲容量，是600 mAh g-1，負載為100 mAh g-1，比原始氫化非晶硅提高了近7倍，也高于石墨陽(yáng)極的理論容量(372 mAh g-1)。銅涂層顆粒不會(huì )降低容量，也不退化，可進(jìn)行連續循環(huán)，而且，循環(huán)數增加時(shí)，它們表現的電荷存儲容量也會(huì )增加。

　　銅涂層的氫化非晶硅粒子會(huì )顯著(zhù)提高鋰的存儲容量，比原始氫化非晶硅粒子提高7倍。銅的存在有助于抑制溶劑分解，加強鋰化和脫鋰過(guò)程，這一過(guò)程發(fā)生在氫化非晶硅粒子中，也會(huì )加強銅涂層在這些過(guò)程中的作用。這種化學(xué)方法就是把銅涂在氫化非晶硅粒子上，具有巨大潛力，可以開(kāi)發(fā)先進(jìn)的負極材料，用于鋰離子電池。

　　膠狀培育的氫化非晶硅粒子，可用作鋰離子電池陽(yáng)極，具有比石墨高得多的能量密度。他們發(fā)現，可以顯著(zhù)提高電池的循環(huán)性能，增強鋰存儲容量(7倍)，只需要把銅沉積在氫化非晶硅粒子上，這要使用多元醇還原法。優(yōu)越的性能源自銅涂層形成的電子導電網(wǎng)絡(luò )。高分辨率界面光譜電化學(xué)研究采用原位拉曼光譜(Raman spectroscopy)，說(shuō)明銅涂層在氫化非晶硅上的作用，他們進(jìn)行了深入研究，可以使較低的庫侖效率(Coulombic efficiency)得到提高，也可避免鋰離子電池硅基陽(yáng)在極循環(huán)中的容量衰退。