會議直通車||清華大學邱新平教授談新型負極材料研究與應用進展

近年來，國家相繼出臺了鋰離子電池的發展規劃，到2020年，鋰離子電池的比能量達到300 Wh/Kg，那么石墨負極已經不能滿足要求了，必需發展高容量的負極材料，目前看，硅材料被認為是理想化的高容量材料。高容量會帶來硅的體積膨脹，硅負極應用需要解決的主要問題就是體積膨脹。

要解決在硅體積膨脹時，顆粒破碎問題，就要把硅納米化。在150 nm以下的硅顆粒在充放電過程中不會破碎。硅材料只要在至少一個維度上小于150 nm，就可以防止材料的破碎。以納米碳酸鈣和蔗糖為原料，采用反模板法成功合成了具有孔介結構的碳載體材料，采用化學氣相沉積方法制備得到了具有穩定界面的多孔硅碳復合材料。通過實驗可以看出復合材料的孔結構可以有效緩解硅顆粒的體積變化，表現出良好的循環穩定性。

在多孔碳的基礎上，我們又以商業化的納米碳酸鈣為模板，采用硅化學氣相沉積方法制備得到具有內聯通結構的無定形空心硅球材料。空心硅材料具有均勻的硅層厚度，隨CVD時間增加，硅層逐漸增厚。大量實驗證明，采用空心硅球的方式，可以一定程度上抑制SEI膜的生長，提高界面穩定性，提高硅負極性能。

圖1 空心硅球材料

圖2 空心硅的電化學性能

我們還用固態聚合物電解質來填充空心硅球材料，希望能進一步抑制SEI膜，從而提高材料效率。

圖3 固態聚合物電解質填充空心硅球材料

圖4 加入固體電解質后的電化學性能

我們又嘗試了內部用空心的二氧化錫外部包覆硅的形式。

圖5 具有高體積密度的硅/二氧化錫復合空心材料

圖6 硅錫復合材料的電化學特性

結論，硅管嵌向內膨脹，脫鋰內壁收縮結構還原，整個過程中外表面結構保持穩定?？招牟牧锨朵嚑顟B下向內膨脹，其伴隨的SEI膜生長也集中于空心材料的內部空間。抑制SEI膜的過度生長，是提高硅負極材料性能的關鍵問題。

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