美国东北大学祝红丽教授课题组《Adv. Mater.》：基于硅负极的全固态电池

点击蓝字关注我们

近期，美国东北大学祝红丽教授团队在全固态电池开发方面取得了新进展，通过比较了硅负极与锂金属负极这两种高比容量负极的优劣后，制备了一种基于纳米硅的复合负极，对其在全固态电池中的电化学性能进行了深度分析，当与一种由硅酸锂包覆的单晶NMC811，和一种超薄的固态电解质薄膜组合时，得到了具有超长循环寿命和电池级能量密度的全固态电池。相关成果以标题为“Long-Cycling Sulfide-Based All-Solid-State Batteries Enabled by Electrochemo-Mechanically Stable Electrodes “发表在Advanced Materials. 

 
图一、基于纳米硅复合负极和硅酸锂包覆的NMC811正极的全固态电池在开发和应用中的优势。其中负极表现出优异的容量和稳定性，同时这种复合结构有利于电子和离子的快速传输。正极具有超高的比容量，由于表面硅酸锂的包覆，有效的稳定了界面。在工业生产应用中，电极材料的制备可以脱离手套箱，适用于当前的电池生产线，可以为电动汽车提供安全又经济的能量储存。
 
图二、硅负极与锂金属负极在硫化物基全固态电池中的应用对比。硅材料在成本和界面稳定性方面远优于锂金属，在能量密度方面与锂金属电池相当，同时在电池制备和测试方面，硅具有更高的机械强度，同时不需要额外加热，而锂金属极易在外部压力下刺穿电池，而且需要较高的温度来提高临界电流密度。 
图三、硅复合负极的制备及半电池性能表征。硅复合负极是通过简单的球磨法制备的， 得到的复合负极中有高效的电子和离子传导通路，可以有效降低局部电流密度同时提高活性物质利用率。在半电池测试中，硅负极表现出优异的性能，在在0.1 mA cm^-2电流密度下得到高达2773 mAh g^-1的容量，同时拥有良好的倍率性能，最高电流密度可以达到2 mA cm^-2, 而且可以在0.5 mA cm^-2 电流密度下稳定循环200 次。 
图四、循环前后电极形貌对比。电极在循环后，原本由纳米颗粒形成的多孔结构消失，变成了致密的电极，同时产生了一些垂直于电极面方向的裂缝，这些裂缝是硅负极在循环中体积膨胀造成的。但这些裂缝并没有造成电极与电解质的分离，对电池的负面影响较低。 
图五、硅负极与锂金属负极在电池中的稳定性对比。通过原位EIS分析可知，硅负极的阻抗在充放电过程中先减小后增大，但整体的变化不是很大。而锂金属负极，在对称电池循环前的静置时，由于与电解质间的反应，阻抗随着静置时间逐渐增大，在测试过程中，由于逐渐趋于短路，阻抗逐渐减小，最终电池发生短路。XPS结果显示，硅负极中只有少量的电解质发生了分解。 
图六、硅酸锂包覆的正极。NMC811与硫化物电解质之间不稳定，因此通过湿化学法对其进行包覆处理，在其表面包覆了一层非晶硅酸锂材料，可以有效减轻电解质的分解。而硅酸锂材料相较于使用最多的铌酸锂材料来说，其成本更低，更具有经济价值。处理后的正极在半电池测试中，表现出优异的电化学性能。 
图七、全电池的电化学性能分析。将上述硅负极、NMC正极、以及一种超薄的固态电解质薄膜结合，便得到了全固态电池，在10 mg cm^-2 和20 mg cm^-2的正极负载量下，该电池表现出优异的倍率性能，同时在C/3的倍率下可以分别稳定循环1000 次和650次。 
图八、对该电池的电池级能量密度进行表征，在正极负载量为20 mg cm^-2时，该全电池的能量密度高达285 Wh kg^-1，而在电流密度达到3.16 mA cm^-2时，电池级能量密度依然有177 Wh kg^-1。该性能说明了基于硅负极的全固态电池具有超高的开发潜力。
原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202200401 

作者团队简介

向上滑动阅览

祝红丽教授就职于美国东北大学（Northeastern University）机械与工业工程系。她的研究方向专注于能源（全固态电池和液流电池）、生物质材料和先进制造等。从2012年到2015年，她在马里兰大学做博士后研究，致力于纳米纸柔性电子器件和能源的研究。从2009年到2011年，她在瑞典皇家理工学院进行材料科学及天然木材可降解和可再生生物质材料的研究。目前她的google scholar引用率14000余次，H因子58.

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。