会议直通车||清华大学邱新平教授谈新型负极材料研究与应用进展

近年来，国家相继出台了锂离子电池的发展规划，到2020年，锂离子电池的比能量达到300 Wh/Kg，那么石墨负极已经不能满足要求了，必需发展高容量的负极材料，目前看，硅材料被认为是理想化的高容量材料。高容量会带来硅的体积膨胀，硅负极应用需要解决的主要问题就是体积膨胀。

要解决在硅体积膨胀时，颗粒破碎问题，就要把硅纳米化。在150 nm以下的硅颗粒在充放电过程中不会破碎。硅材料只要在至少一个维度上小于150 nm，就可以防止材料的破碎。以纳米碳酸钙和蔗糖为原料，采用反模板法成功合成了具有孔介结构的碳载体材料，采用化学气相沉积方法制备得到了具有稳定界面的多孔硅碳复合材料。通过实验可以看出复合材料的孔结构可以有效缓解硅颗粒的体积变化，表现出良好的循环稳定性。

在多孔碳的基础上，我们又以商业化的纳米碳酸钙为模板，采用硅化学气相沉积方法制备得到具有内联通结构的无定形空心硅球材料。空心硅材料具有均匀的硅层厚度，随CVD时间增加，硅层逐渐增厚。大量实验证明，采用空心硅球的方式，可以一定程度上抑制SEI膜的生长，提高界面稳定性，提高硅负极性能。

图1 空心硅球材料

图2 空心硅的电化学性能

我们还用固态聚合物电解质来填充空心硅球材料，希望能进一步抑制SEI膜，从而提高材料效率。

图3 固态聚合物电解质填充空心硅球材料

图4 加入固体电解质后的电化学性能

我们又尝试了内部用空心的二氧化锡外部包覆硅的形式。

图5 具有高体积密度的硅/二氧化锡复合空心材料

图6 硅锡复合材料的电化学特性

结论，硅管嵌向内膨胀，脱锂内壁收缩结构还原，整个过程中外表面结构保持稳定。空心材料嵌锂状态下向内膨胀，其伴随的SEI膜生长也集中于空心材料的内部空间。抑制SEI膜的过度生长，是提高硅负极材料性能的关键问题。

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