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鋰電池硅基負極循環(huán)性能的

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年04月28日  

1.引言


硅具有最高的理論比容量(4200mAhg-1)和較低的脫鋰電位(0.5V),成為最有潛力取代石墨的鋰離子電池負極材料之一。[1]但是在充放電過程中,硅會發(fā)生巨大的體積變化,導(dǎo)致材料粉化、剝落、失去電接觸,容量衰減很快。[2]為了減小硅材料的體積效應(yīng),人們嘗試了多種方法,包括制備無定形硅薄膜、納米硅、多孔硅、硅氧化物、含硅非金屬化合物、含硅金屬化合物、硅/碳復(fù)合材料、硅/金屬(活性或惰性)復(fù)合材料等。[3,4]這些方法或者抑制了硅材料的體積膨脹,或者改善了硅顆粒之間的電接觸,從而在一定程度上提高了硅負極的循環(huán)穩(wěn)定性和首次充放電效率。除了硅基活性物質(zhì)本身的改進,人們在電極制備工藝和電解液上也做了大量研究。


1.1電極制備工藝的改進


一般商業(yè)化的電極由活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑組成,導(dǎo)電劑分散在粘結(jié)劑中使其具有電子導(dǎo)電性,粘結(jié)劑則起到將活性物質(zhì)顆粒緊密包裹的用途,防止活性物質(zhì)顆粒在循環(huán)過程中粉化、松散而失去電接觸。電極的循環(huán)穩(wěn)定性不僅與活性物質(zhì)有關(guān),而且受到粘結(jié)劑性質(zhì)(強度、彈性、粘附性等)與分布狀態(tài)的很大影響。


除了硅材料本身的體積效應(yīng)和內(nèi)部顆粒之間的電接觸狀態(tài)外,硅材料與集流體之間的接觸狀態(tài)關(guān)于負極的循環(huán)穩(wěn)定性也有很大影響。改善硅材料與集流體之間電接觸狀態(tài)重要有兩種途徑:


一是提高粘結(jié)劑的性能。傳統(tǒng)的聚偏氟乙烯(pVDF)粘結(jié)劑易吸收電解液而發(fā)生溶脹,導(dǎo)致粘結(jié)性能下降。一方面,探索新型的高性能粘結(jié)劑,如采用1%丁苯橡膠(SBR)/1%羧甲基纖維素鈉(SCMC)作為粘結(jié)劑制備碳包覆硅負極,其循環(huán)性能優(yōu)于使用10%pVDF粘結(jié)劑的電極,這是由于SBR+SCMC具有更大的延伸率和粘附力。[5]另一方面,研究對傳統(tǒng)的pVDF粘結(jié)劑進行改性以提高它的強度、彈性和粘性,起到抑制活性材料的體積變化,增強硅顆粒與集流體之間粘結(jié)力,改善電接觸的用途。改性方法重要有交聯(lián)化和熱處理兩種途徑。[6]通過改進粘結(jié)劑的性能可以提高硅負極的充放電循環(huán)性能,但是這種改善十分有限,離商業(yè)化的要求距離較大。


二是改變集流體的表面形貌。集流體的表面粗糙度越大,則活性物質(zhì)與集流體的導(dǎo)電接觸面積越大,粘附強度越高,在充放電過程中越不易剝離,從而具有更高的循環(huán)穩(wěn)定性。KimY.L.[7]采用相同的硅碳復(fù)合材料和粘結(jié)劑(pVDF),在不同表面形貌的集流體上制備硅基負極,其初始容量均在800mAh/g左右。經(jīng)過30次充放電循環(huán)后,采用平整集流體的a電極的可逆容量已衰減至300mAh/g,采用粗糙集流體的b電極的容量衰減至650mAh/g,而集流體表面呈瘤狀突起的c電極的可逆容量仍保持800mAh/g。但是,制備這種具有瘤狀突起表面的銅集流體要經(jīng)過兩次電沉積,工藝較復(fù)雜,新增了生產(chǎn)成本。


本文設(shè)計了一種新型的的硅基負極結(jié)構(gòu),采用柔性的乙炔黑涂層替代傳統(tǒng)的銅箔作為集流體,將活性物質(zhì)粘結(jié)在乙炔黑涂層和聚乙烯膜之間,提高活性物質(zhì)與集流體之間的結(jié)合強度,并期望通過這種夾心結(jié)構(gòu)緩沖硅基負極在充放電過程中的體積變化。


1.2電解液成膜添加劑的研究


導(dǎo)致硅基負極容量衰減的另外一個重要原因是電解液中的LipF6分解出現(xiàn)微量HF對硅造成腐蝕,見式(1)和(2)。


此外,由于硅在常規(guī)的LipF6電解液中難以形成穩(wěn)定的表面固體電解質(zhì)(SEI)膜,伴隨著電

極結(jié)構(gòu)的破壞,在暴露出的硅表面不斷形成新的SEI膜,加劇了硅的腐蝕和容量衰減。[9]


電極表面SEI膜的形成是由于有機鹽和溶劑的電化學(xué)還原,它的形貌和組成重要決定于電解液中的成分。它不但影響著電極的嵌脫鋰動力學(xué),還影響著長時間循環(huán)過程中的表面穩(wěn)定性。[10,11]然而關(guān)于硅表面SEI膜及成膜添加劑的研究仍然較少。[12,13]本文采用硅薄膜為電極,研究了4種電解液添加劑對電池循環(huán)性能的影響,為提高硅與電解液界面相容性做出了初步探索。


2.實驗


2.1制備具有柔性集流體的硅基負極


將0.85g碳包覆硅與0.05g導(dǎo)電碳黑、10g丁苯橡膠-羧甲基纖維素鈉乳液(固含量1wt%)混合攪拌6小時,然后涂布到20微米厚的多孔聚乙烯膜表面,在40℃真空干燥8小時得到碳包覆硅層。將0.9g乙炔黑和10g丁苯橡膠-羧甲基纖維素鈉乳液(固含量1wt%)混合攪拌4小時,然后涂布到碳包覆硅層表面,在50℃真空干燥10小時,得到具有柔性集流體(即乙炔黑涂層)的硅基負極。


圖1具有柔性集流體的硅基負極結(jié)構(gòu)示意圖

以銅箔為集流體的常規(guī)負極制備方法如下:將0.85g碳包覆硅與0.05g導(dǎo)電碳黑、10g丁苯橡膠-羧甲基纖維素鈉乳液(固含量1wt%)混合攪拌6小時,然后涂布到20微米厚的銅箔表面,在80℃真空干燥10小時,得到以銅箔為集流體的硅基負極。

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