化工系魏飞教授课题组发文报道可长循环的硅基负极材料

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清华新闻网7月10日电 7月4日，清华大学化工系魏飞教授课题组在知名期刊《纳米快报》（Nano Letters）上在线发表“碳化硅作为抑制化学反应的保护层增强硅基负极稳定性”（Silicon Carbide as a Protective Layer to Stabilize Si-Based Anodes by Inhibiting Chemical Reactions ）的研究文章，标志课题组在锂离子电池硅基负极材料的研究领域取得重要进展。
自锂离子电池商用化以来，人们一直在致力于提高其能量密度。Si基材料由于其具有高的比容量（4200 mAh/g），成为最具有潜力的能够取代商用石墨负极（372 mAh/g）的材料。但是Si基材料在充放电过程中存在巨大的体积膨胀及粉化问题，导致其循环稳定性差，阻碍了其实际应用。经过20多年的研究，研究者们从材料结构、纳米化、合金化改进，碳包覆等角度进行调控，已经能够部分解决硅基材料的问题，如特斯拉Model 3电动车中锂电池已商用化加入约10%的Si基负极。但其循环性能差的问题依然突出。

图. A)不同材料与电解液反应产物的XRD 结果表征；B)不同材料与电解液副反应的活化能比较；C) 在1 A/g的电流密度下的循环性能测试。
本研究发现，在目前的硅负极电池体系下，不仅有硅的体积膨胀与粉化问题，而且Si会与电解液中的氟发生化学反应形成氟硅酸锂结晶体，不断消耗电池体系里有限的Li源、Si源和电解液，进而会导致电池失效。包覆的纳米碳层并不能阻止氟与硅的接触，反而是个促进这一反应的催化剂，成倍地降低了反应的活化能并成百倍地加速这一反应进程。
为了抑制这一副反应的发生，在Si表面包覆一层致密的纳米级厚度碳化硅陶瓷层，阻止氟化物的渗入并稳定硅负极的体积膨胀以达到抑制副反应、稳定SEI层的目的。包覆SiC陶瓷层后，副反应的活化能变为原来的三倍，对应的室温下的反应速率降为原来的1/300。通过在实际的电池体系下进行电化学性能测试，包覆SiC后的材料循环稳定性得到大幅度提高。上述成果可望为Si基负极材料的稳定性研究提供一种新的解决思路，推进硅基负极材料的商用化。
清华大学化工系魏飞教授是该文的通讯作者，博士生于春辉和博士后陈晓为共同第一作者，清华大学化工系助理教授张如范、博士生肖哲熙、博士后林贤清、博士后张晨曦等参加了该项工作。该研究得到了国家自然科学基金重点研发项目资助。
魏飞教授团队长期致力于锂离子电池导电剂的研发，利用流化床技术制备出的阵列碳纳米管已经批量应用于商用锂离子电池中，并形成万吨级碳纳米管锂离子电池导电浆料产业化技术。本项目成果是该团队在电池材料方面的又一项新进展。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b01492
供稿：化工系

编辑：李华山

审核：周襄楠
2019年07月10日 13:48:40　　清华新闻网