硅电极中加入纳米碳网状结构 提高电极稳定性

    北卡罗来纳州立大学的研究人员近日将碳涂工艺与碳纳米管网络架构相结合，以提高锂电池中硅阳极材料在充放电循环过程中的稳定性，并在Applied Materials & Interfaces杂志上发表了论文。论文中，他们提出：碳涂硅纳米粒子在碳纳米管网络架构下的分散情况，在经过40次充放电循环后，其储能量还能保持还有的70%，这一数字相比不采用碳纳米管网络架构下的情况要好得多。

    在这种新型架构下，碳涂层能够增强电子导电性并减缓在充放电循环时硅粒子的剧烈体积变化所导致的性能衰减现象。碳纳米管的分布架构能够从物理层面稳定电子结构的稳定性和完整性，最终延长电池的寿命及性能。

    硅作为一种具有开发潜力的锂电池阳极材料具有最高理论储能量4200毫安时/克，是目前业界普遍采用的石墨材料的十倍，石墨的储能量为372毫安时/克。然而，在充放电循环时，硅粒子的剧烈体积变化会导致电池的使用寿命下降，从而限制了其性能的发挥。研究表明，通过采用Li22Si5合金结构，每个硅粒子能够容纳4.4个锂离子，这意味着其能够提高锂电池的容量至400%。

    为了解决硅粒子的大体积变化，研究人员采用了硅纳米粒子结构，这种结构在充电循环时导致的体积变化较小。为了进一步抑制其体积变化，研究人员将纳米硅粒子包裹在碳壳中，这种方式不仅提高了电子的导电性，还缓解了硅粒子的体积变化。但是，由于其本身的特性限制以及粘合剂强度不够导致了硅粒子电极的稳定性依旧不尽如人意。

    在电极制造过程中，类似碳涂硅这类材料经过聚合物粘结剂粘结后首先被加入悬浊液中。在经过干燥后，主体材料粒子与其他粘结剂相连以形成电极。在重复的体积膨胀和收缩过程中，粘结剂的强度不足以承受硅电极产生的压力，从而导致电极雾化并使电量流失。

(a)→(b)硅粒子外包裹碳涂层结构在充放电循环前后的示意图；(c)→(d)硅电极中加入碳纳米管网状架构在充放电循环前后的示意图

    研究表明，硅电极虽然在初始阶段具有非常高的可逆容量，达到2780毫安时/克，但是在经过40次充电循环之后，其储能量下降到了100毫安时/克。

    而在硅粒子外包裹一层碳涂层后，电极显示出了相对较好的稳定性，这归功于硅粒子外部的碳涂层抑制了硅粒子的体积变化。实验结果是：在40次重放电循环后，其储能量为原来的48%。这一数字依旧不能满足电极的性能稳定性需求。