中國粉體網(wǎng)訊 鋰離子電池(LIB)以壽命長、儲(chǔ)電性能好、能量密度高、工作電壓高等優(yōu)點(diǎn)，已成為便攜式電子、電動(dòng)汽車和替代能源經(jīng)濟(jì)的基石。改良電極材料，是提高LIB電化學(xué)性能最關(guān)鍵可行的方法。目前，電極材料研究已經(jīng)超越了傳統(tǒng)的碳基石墨負(fù)極，向過渡金屬氧化物、錫和硅基材料等替代材料發(fā)展。
硅在地殼中的儲(chǔ)量豐富程度僅次于氧元素。憑借其電子特性，尤其是高容量，這種富有前景的負(fù)極材料受到廣泛關(guān)注。然而，這種材料在運(yùn)行過程中的體積變化很大，從而影響其穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)完整性和電性能，導(dǎo)致在充放電過程中出現(xiàn)顆粒破碎或集流器剝落等問題。
日本Advanced Institute of Science and Technology（科學(xué)技術(shù)高等研究院）研究團(tuán)隊(duì)從閃鋅礦獲得靈感，提出一種在較低溫度下制備β-SiC基負(fù)極材料的合理設(shè)計(jì)，研究成果發(fā)表于“Materials Chemistry A”期刊。
閃鋅礦系統(tǒng)中的三維金屬間化合物結(jié)構(gòu)，可在其間隙位置輕松容納鋰離子。當(dāng)鋰離子在主體材料之間穿梭時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的體積變化很小，從而實(shí)現(xiàn)更好的壽命和可逆性。β-SiC是一種變體閃鋅礦材料，也被稱為立方碳化硅，富含具有四面體對(duì)稱配置的間隙位點(diǎn)可容納鋰離子，同時(shí)它有著不同尋常的機(jī)械、熱和化學(xué)穩(wěn)定性。但是β-SiC表面鋰化能非常高，而且制備需要高能耗的碳熱合成過程（溫度達(dá)1700-2500℃），這些阻礙了其在電池領(lǐng)域的適應(yīng)性。
該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種兩步合成工藝制備β-SiC基負(fù)極材料：第一步是在聚多巴胺基質(zhì)中形成硅納米顆粒；第二步是在摻雜氮的碳基質(zhì)中將其轉(zhuǎn)化為β-SiC納米顆粒的特殊變體。與傳統(tǒng)方法相比，這種轉(zhuǎn)換過程需要的溫度更低，可低至600攝氏度。這種方法確保了嵌入的β-SiC納米顆粒與主體碳基體的無縫集成，這是在鋰化-脫鋰過程中有效促進(jìn)電荷和傳質(zhì)的急需特性。
研究團(tuán)隊(duì)將所獲得的材料用于電池配置，并進(jìn)行電化學(xué)篩選。結(jié)果表明，該電池具有較高的電流密度、額定容量和良好的可逆鋰離子存儲(chǔ)兼容性。此外，還表現(xiàn)出高容量保持率，在300次充放電循環(huán)后，可保持約94%的容量，放電容量保持在1195 mAhg-1和在1000mAhg-1下525次循環(huán)后為707mAhg-1。
利用這種β-SiC基合成材料為負(fù)極材料成功的應(yīng)用到全電池（商用LiCoO2為正極）中，這種結(jié)合方式的全電池展示了β-SiC在商業(yè)LiB系統(tǒng)中的巨大應(yīng)用潛力�？傮w而言，這項(xiàng)研究可能是制造電化學(xué)活性β-SiC基電極的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為眾多β-SiC可應(yīng)用于LiB方面打開了大門。
參考來源：
Zinc blende inspired rational design of a β-SiC based resilient anode material for lithium-ion batteries
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）
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