【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】電動汽車產(chǎn)業(yè)的興起對鋰離子電池的能量密度和循環(huán)壽命等性能提出了更高的要求。開發(fā)具有更高容量和更長循環(huán)壽命的負(fù)極材料是實現(xiàn)鋰離子電池性能突破的關(guān)鍵。硅基負(fù)極具有較高比容量(3579 mAh g−1)，較低工作電位(0.2–0.4 V)與較低生產(chǎn)成本等優(yōu)點，被認(rèn)為是下一代負(fù)極材料。然而硅基負(fù)極在電化學(xué)循環(huán)中界面不穩(wěn)定并發(fā)生持續(xù)的動態(tài)演變，限制了它的實際應(yīng)用。而目前已有的研究報道主要以使用納米硅為主的扣式電池體系為研究對象，與實際使用的電池工況存在較大差距，導(dǎo)致無法了解硅負(fù)極在真實應(yīng)用中的電化學(xué)行為和失效機制。
 

　　近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心王雪鋒特聘研究員和王兆翔研究員(共同通訊作者)等人結(jié)合利用冷凍透射電子顯微鏡(cryo-TEM)、冷凍離子束拋光-掃描電子顯微鏡(CP-SEM)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)等多尺度成像與譜學(xué)表征方法，研究了硅負(fù)極在軟包電池中的失效機制和界面演變行為，揭示界面-顆粒-電極與電化學(xué)性能之間的構(gòu)效聯(lián)系，據(jù)此提出了構(gòu)筑穩(wěn)定界面和硅負(fù)極電化學(xué)性能提升新策略。
 

　　結(jié)果顯示，經(jīng)過多周循環(huán)過程后，在硅負(fù)極表面形成富含烷基酯鋰、鋰硅酸鹽和氟化鋰的界面層，它隨著循環(huán)進行持續(xù)地生長，在300周后厚度為2.5μm。這種持續(xù)生長的根本原因在于界面膜的多孔性，允許電解液不斷滲透并腐蝕硅顆粒。據(jù)此，提出理想的硅界面應(yīng)該富含無機成分且具有有機交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，具有化學(xué)穩(wěn)定性與力學(xué)穩(wěn)定性，并通過在電解液中添加一定量的硫引發(fā)劑驗證了上述改進策略。這些發(fā)現(xiàn)有助于深入了解硅基負(fù)極在實際工況下的界面演變過程和容量衰減機制，提出更準(zhǔn)確的改善策略來推動硅基負(fù)極的實際應(yīng)用。
 

　　相關(guān)成果以“Interfacial degradation of silicon anodes in pouch cells”為題發(fā)表在Energy & Environmental Science上。上述研究工作受到了中國科學(xué)院、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委和北京市自然科學(xué)基金的資助。文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D4EE01755B
 

　　圖 (a)硅負(fù)極界面演變規(guī)律；(b)硅顆粒的冷凍CP-SEM截面圖；(c)硅顆粒表面腐蝕層的冷凍TEM圖及其表面成分分布圖(d)。