Carbon Energy:锂离子电池硅基负极材料的现状与展望

第一作者：王烽霖；通讯作者：刘小鹤、陈根、马仁志

通讯单位：中南大学

论文DOI:10.1002/cey2.24

【全文速览】

中南大学刘小鹤教授团队和日本国产物质研究机构（NIMS）马仁志教授从碳、无机材料、导电聚合物保护硅活性材料三个方面分析与总结其构建方法和电化学性能。

【研究背景】

硅基负极材料因其理论容量高、嵌锂电位低而在制备高能量密度锂离子电池方面受到广泛关注。但硅基负极材料在完全脱嵌锂状态下存在严重的体积效应，易导致材料出现结构崩塌粉化、形成不稳定固态电解质（SEI）膜、电极材料的脱落、和集流体失去电接触等问题，从而造成硅基负极材料部分容量衰减，倍率性能差、导电率低、库伦效率低和循环稳定性差的影响。为解决硅基负极材料在充放电过程中产生的体积效应，同时提高材料的电导性，加快电子的传输，在硅基负极材料上构建与设计保护包覆层成为重要的优化硅基材料的方法之一。

【内容概述】

首先，作者介绍了硅基负极材料在电化学充放电过程中的合金化机理以及硅基负极在电化学反应过程中的三种失效模式。

随后，作者系统总结了基于保护硅基负极材料结构稳定性的三种不同类型保护包覆层。

（1）碳材料因具有良好电子导电性、较小的密度和体积变化率等优点，而成为构建硅基负极材料包覆层的极佳选择。主要目的是利用碳的韧性及导电性来抑制硅的体积膨胀，并提高材料的导电率，从而提高硅基基负极材料的电化学性能。根据硅在碳基体中的不同分布形式，该综述主要总结与分析了三种Si/C复合材料的发展，包括胶囊包覆型、多层型以及分子接触型。（2）部分无机材料除了高导电率、延展性好，还具有一定的机械强度，在硅基负极材料中构建或引入体积效应较小的特定无机包覆层可以起到缓冲作用。该文主要介绍了具有不同特性的无机材料作为硅基负极材料保护包覆层的设计思路与发展，包括金属、金属氧化物、SiOx、SiOC、以及多组分协同的保护包覆层。（3）高分子导电聚合物具有质量轻、化学可调性、资源可持续性、结构多样性等优点，当精确设计与构筑一个三维的导电聚合物网络结构，将硅纳米颗粒均匀的分散在具有导电性与弹性的聚合物网络中，这将有效地提高导电性与缓解硅体积膨胀问题，可以在很大程度上改进硅基电极材料的电化学循环性能。因此，硅导电聚合物复合材料的研究是具有极大潜力的，该文主要针对PPy、PANI、PEDOT、PEDOT:PSS、PAA几类保护包覆层结构进行分析与总结。

最后，作者基于硅基负极材料在未来商业产业用途上具有的潜力与广阔的市场，提出未来硅基负极的发展方向应着重在于：（1）在材料方面，普通涂层无法根治硅基负极体积膨胀问题，需进一步优化硅材料的化学成分，精确构造合金化、异质结构等可控结构/成分材料。（2）建立模型进行更深层次的理论计算与模拟，有利于定量分析与硅的体积膨胀率相匹配的弹性基体材料。（3）在环境保护和可持续发展方面，成本低、生产率高的工农业副产品作为生产原料也开始引起广泛关注。

【文章链接】

Engineering of carbon and other protective coating layers for stabilizing silicon anode materials

Fenglin Wang ，Gen Chen* ，Ning Zhang，Xiaohe Liu* ，Renzhi Ma*

DOI:10.1002/cey2.24

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