近日，加拿大滑鐵盧大學(xué)應(yīng)用納米材料與清潔能源實驗室陳忠偉教授的科研團(tuán)隊協(xié)同WATTECH POWER INC.（加拿大滑鐵盧大學(xué)科技公司）成功開發(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(fù)極活性材料，硫摻雜的石墨烯以及聚丙烯腈作為輔助，通過簡單的高溫處理，實現(xiàn)電極微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑成型，其內(nèi)部各材料間的相互協(xié)同效應(yīng)解決了硅材料的體積膨脹，電導(dǎo)率低等問題，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(dá)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，對硅基電極微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑成型以及其內(nèi)部的協(xié)同效應(yīng)如何發(fā)揮作用，作了詳細(xì)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(fù)極極片經(jīng)高溫處理后，硅會與周圍硫化石墨烯中的硫以共價鍵的相互作用被相對固定到一個位置，而聚丙烯腈將會進(jìn)行環(huán)化反應(yīng)形成一個含氮的穩(wěn)定六圓環(huán)結(jié)構(gòu)的石墨化碳。如此，通過熱處理，一個穩(wěn)定的原子尺度的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑成型；其中，一方面，硅通過共價作用被以石墨烯納米片層所組成的支架所保護(hù)，另一方面，石墨化的聚丙烯腈形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加強(qiáng)了對硅穩(wěn)定的防護(hù)。同時，由于有石墨烯和石墨化碳的存在，這種穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)體也顯示絕佳的導(dǎo)電性。以上結(jié)構(gòu)的形成，在論文中結(jié)合一系列的實驗表征手段得到了詳細(xì)地論證，例如，用密度泛函計算了硅與硫化石墨烯的結(jié)合力；用x射線光電子能譜確認(rèn)了結(jié)構(gòu)體的元素分布和組成等。
正是由于這種電極微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑成型，使得電極在充放電過程中硅的體積膨脹能夠被固定到一定的空間范圍之內(nèi)，電極結(jié)構(gòu)不會被破壞，確保了電極能夠到達(dá)2000次的循環(huán)壽命；另外，此結(jié)構(gòu)體高的電子和鋰離子傳導(dǎo)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(dá)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)對電極使用了簡單的熱處理，這一創(chuàng)新解決了長久以來困擾鋰電材料領(lǐng)域的由于硅材料體積脹縮導(dǎo)致其無法應(yīng)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(rèn)可，擁有高能量長壽命的真正的硅基鋰離子電池指日可待?？上驳氖牵@次重大的科學(xué)突破工藝操作上簡單易行，而且在成本上，由于硅高比容量，是目前商業(yè)化石墨電極實際比容量的3-7倍，據(jù)此，相同容量的硅基鋰離子電池中硅的用量約是傳統(tǒng)鋰離子電池中石墨用量的1/7-1/3，而且隨著太陽能電池產(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(jù)現(xiàn)行研發(fā)進(jìn)度，此硅基鋰離子電池能夠滿足商業(yè)化的能量型鋰離子電池的需求，如消費類電子產(chǎn)品手機(jī)筆記本以及可穿戴電子設(shè)備等。此類產(chǎn)品要求電池具有高的能量密度，和較穩(wěn)定的循環(huán)壽命。另外，根據(jù)目前測試，更高倍率的充放電，如2C，將不會對硅基材料以及整個電極的結(jié)構(gòu)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（如電動汽車，電動工具等）的應(yīng)用也即將實現(xiàn)。
目前，陳忠偉教授與WATTECH POWER INC.（滑鐵盧大學(xué)科技公司）共同攜手開發(fā)此技術(shù)，即將進(jìn)入中試階段，據(jù)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。
作者：中國電池網(wǎng) 梁小婧
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