鋰離子電池還有前進(jìn)的動(dòng)力嗎還能產(chǎn)生革命性的進(jìn)步嗎？

* 來源: * 作者: admin * 發(fā)表時(shí)間: 2021-04-19 21:23:49 * 瀏覽: 5135

2019年，Goodenough老爺子終于獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，鋰離子電池也終于將電池霸主的地位坐穩(wěn)。時(shí)至今日，無論是動(dòng)力電池、移動(dòng)電源，還是柔性健康醫(yī)療器件，鋰離子電池?zé)o處不在。

然而，鋰離子電池有本征的天花板。當(dāng)今時(shí)代，人們對(duì)電池的成本、壽命、安全性都有更高的要求。那么，鋰離子電池還有前進(jìn)的動(dòng)力嗎？我們還能不能基于鋰離子電池，產(chǎn)生革命性的進(jìn)步？

2021年3月30日，國(guó)內(nèi)某手機(jī)廠商發(fā)布新機(jī)，其中一個(gè)核心亮點(diǎn)，就在于其采用了超級(jí)快充、容量高達(dá)5000mAh的硅負(fù)極鋰離子電池。

在此之前，硅負(fù)極技術(shù)主要用于新能源汽車新型動(dòng)力電池開發(fā)，而且還未大規(guī)模使用，在手機(jī)上就更沒有人用過了。小米算是垮了個(gè)界，不知道這算不算降維打擊？但是從汽車領(lǐng)域下行到手機(jī)領(lǐng)域，也是一大創(chuàng)舉。

今天，我們就來講一講硅負(fù)極的一些故事，希望對(duì)相關(guān)領(lǐng)域研究人員有所啟發(fā)。

電池最關(guān)鍵的一個(gè)指標(biāo)是能量密度，提升這一性能的核心在于正極材料和負(fù)極材料，尤其是負(fù)極材料。目前鋰離子電池主流正極材料是金屬氧化物，而主流負(fù)極材料是石墨，理論容量為 372 mAh. g-1。

石墨具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，使電子可以很容易傳遞到電路的金屬導(dǎo)線中。但是石墨在放電過程中儲(chǔ)存鋰離子的能力馬馬虎虎，需要六個(gè)碳原子來結(jié)合一個(gè)鋰離子，這種缺陷限制了電極所承載的鋰含量，從而限制了電池所能儲(chǔ)存的能量。

在這方面，硅就可以做得更好！每個(gè)Si原子都可以和4個(gè)鋰離子結(jié)合，理論上來說，硅基負(fù)極材料比石墨負(fù)極材料可以存儲(chǔ)多10倍的能量，理論容量高達(dá)4200mAh/g，這正是電化學(xué)家們幾十年來苦苦追尋都沒有實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

利用塊狀的Si來制備負(fù)極材料還是很容易的，但是存在很多問題，其中有兩個(gè)最核心的問題，影響電學(xué)傳導(dǎo)，并造成容量降低，最終導(dǎo)致電池失效，大大縮短了電池的使用壽命：

1）體積膨脹：充放電過程中體積膨脹高達(dá)420%，容易導(dǎo)致顆粒和電機(jī)的破裂。

2）SEI膜：充放電過程中發(fā)生副反應(yīng)，形成不穩(wěn)定、不導(dǎo)電的固體電解質(zhì)界面SEI膜。

那么，怎么辦呢？

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納米技術(shù)改造硅負(fù)極的方案

2008年，一個(gè)名不見經(jīng)傳的年輕科學(xué)家提出了一個(gè)全新的解決方案。他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種硅納米線負(fù)極，有效減緩了壓力和應(yīng)力作用，徹底擊敗了體相硅負(fù)極材料。當(dāng)鋰離子在硅納米線中嵌入和脫離時(shí)，硅納米線受到的損傷非常小，經(jīng)過10次循環(huán)，這種負(fù)極材料還可以保持其理論儲(chǔ)能容量的75%。

雖然還只是一個(gè)初步的嘗試，但是，這個(gè)年輕的科學(xué)家已經(jīng)在無意中開創(chuàng)了電池納米技術(shù)的潮流。在所有人都在通過傳統(tǒng)的材料改性來提高負(fù)極材料性能的時(shí)候，他就致力于將納米技術(shù)和電池電化學(xué)緊密結(jié)合，開發(fā)了一系列新型的電池納米技術(shù)。自此以后，電池納米技術(shù)的研究，成為了電池研究領(lǐng)域的一股旋風(fēng)。

這個(gè)年輕人，他的名字叫崔屹。

崔屹是硅負(fù)極技術(shù)領(lǐng)域的先鋒和代表人物之一。在加州大學(xué)伯克利分校做研究的時(shí)候，受到勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任，諾獎(jiǎng)得主Steven Chu的啟發(fā)，崔屹開始接觸之前從沒有接觸過的電池領(lǐng)域。Chu認(rèn)為，納米技術(shù)為清潔能源提供了一個(gè)嶄新，而又重要的旋鈕。研究人員不僅可以在最小的尺度上控制材料的化學(xué)成分，還可以控制材料內(nèi)部原子的排列，從而真正明白所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是如何進(jìn)行的！

經(jīng)過十多年的深入研究，崔屹向大家展示了他如何利用納米技術(shù)來解決電池化學(xué)中長(zhǎng)期存在并阻礙科技發(fā)展的重難點(diǎn)問題：

1）利用Si取代標(biāo)準(zhǔn)石墨，作為鋰離子電池負(fù)極材料；

2）利用金屬鋰作為負(fù)極材料；

3）基于Li-S化學(xué)的電池，將比任何鋰離子電池更強(qiáng)大。

崔屹團(tuán)隊(duì)多年來致力于應(yīng)用納米技術(shù)改善鋰離子電池的硅負(fù)極性能，根據(jù)崔屹教授的講座，本文簡(jiǎn)要整理了他們開發(fā)的11代硅負(fù)極電池納米技術(shù)。（本數(shù)據(jù)截止2016年，現(xiàn)在過去5年了，應(yīng)該不止11代了。）

上一條: 電池生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)的問題