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【會議報告】硅基負極材料結構設計及其性能研究進展


來源:中國粉體網(wǎng)   蘇簡

[導讀]  上海大學施利毅教授將作題為《硅基負極材料結構設計及其性能研究進展》的報告

中國粉體網(wǎng)訊  硅負極具有3579mAh g-1的高理論比容量,但在鋰化/去鋰化過程中巨大的體積變化(約300%)會導致材料結構破壞,表現(xiàn)出低功率密度和較差的循環(huán)穩(wěn)定性。同時,硅電極表面上的SEI脆弱且不穩(wěn)定,無法承受巨大體積變化,在循環(huán)過程中會不斷破壞和重構。納米化的硅雖然提高了離子傳輸性能,但較大比表面積和加劇的副反應會消耗電解液,導致容量快速衰減。高溫下這些不良反應會加速,尤其在大電流密度下容易發(fā)生析鋰,可能導致熱失控,帶來嚴重的安全風險。


通過電解液調控和電極設計可實現(xiàn)特定組分/結構的穩(wěn)定SEI,但如何在電極與電解液間構筑高效界面保護層仍是一個難題。


電極和電解液之間的相互作用引起了越來越多的關注。電解液添加劑可以提高電極的界面穩(wěn)定性,其氧化還原路徑具有多樣性,同時電極材料表面的差異性導致反應活性與路徑不同。過渡金屬的特殊d軌道可催化電解液分解,通過調控官能團或引入雜原子可有效提升電化學活性。通過電極結構與電解液的協(xié)同設計,可使目標溶劑分子特異性吸附于電極表面的內亥姆霍茲面,進而優(yōu)先分解形成特定組分的SEI。因此,亟需通過控制電極與電解質界面之間的相互作用,從而構建穩(wěn)定的SEI。



近期,上海大學施利毅教授團隊及復旦大學夏永姚教授團隊通過協(xié)同刻蝕和水解過程,在多孔硅表面原位構筑了一層納米級超薄且均勻的氧化鋁-氧化鈦(ATO)催化界面。該富含缺陷的氧化物界面促進了氟乙烯碳酸酯(FEC)的選擇性吸附,并催化其轉化為LiF。由此產生的富含無機物的SEI層具有電化學穩(wěn)定性,有利于離子傳輸,尤其是在高倍率循環(huán)和高溫條件下。這種具有大比表面積的多孔硅(114 m2 g-1)被堅固的SEI層所保護,其初始庫侖效率高達84.7%,即使在25 A g-1的高倍率下仍能保持692 mAh g-1的可逆容量,并且在5 A g-1下1000次循環(huán)中平均庫侖效率高達99.7%,同時在50℃,2 A g-1下循環(huán)500次后的容量保持率達80.0%,顯著優(yōu)于同類型的硅負極材料。通過這種催化層構建的穩(wěn)定SEI,為快充電池及高溫下硅基負極的發(fā)展提供了一種借鑒思路。


針對各類負極材料的產業(yè)化技術與國內外市場狀況,中國粉體網(wǎng)將于2025年6月24-25日安徽·合肥舉辦第二屆硅基負極材料技術與產業(yè)高峰論壇暨2025CVD硅碳負極材料前沿技術論壇。旨在為負極材料產業(yè)鏈上中下游企業(yè)搭建深度交流的平臺,開展產、學、研合作,助推負極材料行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。屆時,上海大學施利毅教授將作題為《硅基負極材料結構設計及其性能研究進展》的報告。報告將介紹施利毅教授課題組近期工作:


1、通過協(xié)同刻蝕和水解過程,在多孔硅表面原位構筑納米級均勻氧化鋁-氧化鈦催化界面,促進了氟乙烯碳酸酯選擇性吸附,并催化其轉化為LiF。富含無機物SEI層具有電化學穩(wěn)定性,有利于離子傳輸,常溫及高溫條件下顯著優(yōu)于同類型硅負極材料。


2、通過多元雜化體系設計,提升離子與電子協(xié)同導電能力,有效抑制了充放電過程中硅體積膨脹,促進了硅基負極表面穩(wěn)定固態(tài)電解質界面層形成,有利于延長電池循環(huán)壽命。



專家簡介:


施利毅,上海大學教授(二級),博士生導師,教育部材料復合及先進分散技術工程中心主任。主要研究方向為納米材料可控制備及應用技術開發(fā),多項成果在鋰電材料、先進制程集成電路、特高壓安全保護等領域轉化應用。榮獲國家教育部、上海市、河南省等省部級科技獎勵一等獎、二等獎10余項。授權中國發(fā)明專利近300項、國際發(fā)明專利40項;發(fā)表學術論文600余篇,H指數(shù)103,2020-2024年入選全球高被引學者,并入選全球前0.05%頂尖學者名單。


信息來源:

上大呂盈盈&復旦夏永姚等:在多孔硅上催化誘導高穩(wěn)定性界面助力高倍率鋰離子電池.nanomicroletters


(中國粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡)

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