清華大學(xué)在提升鋰離子電池負(fù)極材料性能上取得進展

來源：儲能科學(xué)與技術(shù)  

技術(shù)領(lǐng)域：鋰離子電池負(fù)極材料

開發(fā)單位：清華大學(xué)化學(xué)工程系 魏飛

技術(shù)突破：通過兩步過程提出了一種雙殼涂層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，800次循環(huán)后，化合物的初始放電容量為1624.7mAhg-1，首次庫侖效率為81.2%，容量保持率為89.5%，在10g-1時可逆容量為949.7mAhg-1。

文章名稱：Zhexi Xiao, Fei Wei, et al.TiO2 as a multifunction coating layer to enhance the electrochemical performance of SiOx@TiO2@C composite as anode material. Nano Energy, 2020, 77, 105082.

應(yīng)用價值：本研究為鋰離子電池表面涂層和高性能負(fù)極材料的研制提供新的技術(shù)思路。

發(fā)展高性能電極材料用以滿足下一代鋰離子電池對于高能量密度方面的需求，已經(jīng)成為了世界范圍內(nèi)的焦點問題。硅因其最高的理論容量及較合適的工作電壓被認(rèn)為是最有潛力的一類負(fù)極材料。然而，顯著的體積膨脹、與電解液發(fā)生嚴(yán)重的副反應(yīng)極大阻礙了硅負(fù)極的商業(yè)化進程。一氧化硅作為硅負(fù)極的改進材料，與硅相比化學(xué)性質(zhì)大幅度改善，并具有更低的體積膨脹率，成為了替代硅負(fù)極的優(yōu)選材料。然而，SiOx材料在實際應(yīng)用中主要有兩個關(guān)鍵問題需要解決。一是體積膨脹不可忽視，導(dǎo)致電接觸變差及顆粒粉化。另一方面是電極與電解液界面在工作電壓下的非電化學(xué)穩(wěn)定性，會導(dǎo)致固體電解質(zhì)膜的不可控生長，造成的高電子離子傳輸阻力顯著影響循環(huán)及倍率性能。表面涂層是解決上述關(guān)鍵問題的最普遍的策略。

圖1 SiOx@TiO2@C復(fù)合物的制備及循環(huán)特性

清華大學(xué)魏飛教授團隊通過兩步過程提出了一種雙殼涂層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(表示為SiOx@TiO2@C)。通過引入高質(zhì)量的銳鈦酶相TiO2層，實現(xiàn)了界面高度穩(wěn)定，降低了復(fù)合材料對電子和離子擴散的抵抗力。800次循環(huán)后，初始放電容量為1624.7mAhg-1，首次庫侖效率(ICE)為81.2%，容量保持率為89.5%，在10g-1時可逆容量為949.7mAhg-1。全尺寸電池組的初始區(qū)域容量為2.6mAhcm-2，ICE高于90%。能量勢壘高約1.5倍，說明TiO2層對副反應(yīng)有阻斷作用。累積焓降低近4倍，說明銳鈦酶相TiO2層對熱穩(wěn)定性有積極作用。

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