硅電極中加入納米碳網(wǎng)狀結構 提高電極穩(wěn)定性

北卡羅來納州立大學的研究人員近日將碳涂工藝與碳納米管網(wǎng)絡架構相結合，以提高鋰電池中硅陽極材料在充放電循環(huán)過程中的穩(wěn)定性，并在Applied Materials Interfaces雜志上發(fā)表了論文。論文中，他們提出：碳涂硅納米粒子在碳納米管網(wǎng)絡架構下的分散情況，在經(jīng)過40次充放電循環(huán)后，其儲能量還能保持還有的70%，這一數(shù)字相比不采用碳納米管網(wǎng)絡架構下的情況要好得多。

在這種新型架構下，碳涂層能夠增強電子導電性并減緩在充放電循環(huán)時硅粒子的劇烈體積變化所導致的性能衰減現(xiàn)象。碳納米管的分布架構能夠從物理層面穩(wěn)定電子結構的穩(wěn)定性和完整性，最終延長電池的壽命及性能。

硅作為一種具有開發(fā)潛力的鋰電池陽極材料具有最高理論儲能量4200毫安時/克，是目前業(yè)界普遍采用的石墨材料的十倍，石墨的儲能量為372毫安時/克。然而，在充放電循環(huán)時，硅粒子的劇烈體積變化會導致電池的使用壽命下降，從而限制了其性能的發(fā)揮。研究表明，通過采用Li22Si5合金結構，每個硅粒子能夠容納4.4個鋰離子，這意味著其能夠提高鋰電池的容量至400%。

為了解決硅粒子的大體積變化，研究人員采用了硅納米粒子結構，這種結構在充電循環(huán)時導致的體積變化較小。為了進一步抑制其體積變化，研究人員將納米硅粒子包裹在碳殼中，這種方式不僅提高了電子的導電性，還緩解了硅粒子的體積變化。但是，由于其本身的特性限制以及粘合劑強度不夠導致了硅粒子電極的穩(wěn)定性依舊不盡如人意。

在電極制造過程中，類似碳涂硅這類材料經(jīng)過聚合物粘結劑粘結后首先被加入懸濁液中。在經(jīng)過干燥后，主體材料粒子與其他粘結劑相連以形成電極。在重復的體積膨脹和收縮過程中，粘結劑的強度不足以承受硅電極產(chǎn)生的壓力，從而導致電極霧化并使電量流失。

(a)→(b)硅粒子外包裹碳涂層結構在充放電循環(huán)前后的示意圖；(c)→(d)硅電極中加入碳納米管網(wǎng)狀架構在充放電循環(huán)前后的示意圖

研究表明，硅電極雖然在初始階段具有非常高的可逆容量，達到2780毫安時/克，但是在經(jīng)過40次充電循環(huán)之后，其儲能量下降到了100毫安時/克。

而在硅粒子外包裹一層碳涂層后，電極顯示出了相對較好的穩(wěn)定性，這歸功于硅粒子外部的碳涂層抑制了硅粒子的體積變化。實驗結果是：在40次重放電循環(huán)后，其儲能量為原來的48%。這一數(shù)字依舊不能滿足電極的性能穩(wěn)定性需求。

北卡州立大學的研究人員認為，在碳涂硅電極中加入碳納米管網(wǎng)狀架構能夠改善硅電極在充放電循環(huán)中的穩(wěn)定性。