【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的興起對(duì)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(zhǎng)循環(huán)壽命的負(fù)極材料是實(shí)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(diǎn)，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(dòng)態(tài)演變，限制了它的實(shí)際應(yīng)用。而目前已有的研究報(bào)道主要以使用納米硅為主的扣式電池體系為研究對(duì)象，與實(shí)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(shí)應(yīng)用中的電化學(xué)行為和失效機(jī)制。
 

　　近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)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(jī)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(jìn)行持續(xù)地生長(zhǎng)，在300周后厚度為2.5μm。這種持續(xù)生長(zhǎng)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(jī)成分且具有有機(jī)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(yàn)證了上述改進(jìn)策略。這些發(fā)現(xiàn)有助于深入了解硅基負(fù)極在實(shí)際工況下的界面演變過程和容量衰減機(jī)制，提出更準(zhǔn)確的改善策略來推動(dòng)硅基負(fù)極的實(shí)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(guó)科學(xué)院、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)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)。