中國粉體網訊 鋰離子電池正隨著時代的需求飛速發展，其能量密度也以每年7~10%的速率提升。然而，現有的鋰電池負極技術已經接近極限，為了滿足新一代的能源需求，開發新型的鋰電負極技術迫在眉睫。
硅負極由于豐富的儲量和超高的理論比容量(3572mAh/g)，一直備受科研人員的關注，是最具潛力的下一代鋰離子電池負極材料之一。然而其在充放電過程中超過300%的膨脹率，巨大的體積效應及較低的電導率限制了硅負極技術的商業化應用。
有鑒于此，近日，韓國蔚山國立技術研究所(UNIST)的Jaephil Cho、Hyun-Wook Lee和斯坦福大學的崔屹教授合作，綜合了石墨負極技術和硅納米技術，通過化學氣相沉積(CVD)法制備了一種全新的、可大規模生產的碳-納米硅-石墨復合負極材料。
可以有效解決硅體積膨脹的問題，最重要的是可以實現批量生產。目前該團隊制備了一批5 kg的材料，比容量可達517 mAh/g，首次庫倫效率92%，有望應用于實際工業生產中。
圖1 SGC復合負極材料結構及其優勢及制備示意圖
在這一工作中，研究者將球形天然石墨(PG)放入爐中，以1.5L/min的速率先后通入硅烷(SiH4)和乙炔(C2H2)氣體，在900℃下完成化學氣相沉積得到碳-納米硅-石墨復合材料(SGC)，其中，硅納米顆粒沉積在球形石墨的表面，并嵌入到石墨的孔隙之中，形成約16nm厚度的納米層，很好的提高了材料的容量和循環穩定性能。
鋰化過程中，硅納米殼層可以隨著體積變化而膨脹，不論是石墨內部的空心納米硅殼層，還是石墨和碳之間的納米硅中間層，均可以保持形狀完好，不會破裂或者殘留于硅和石墨之間。
通過循環50次后的解剖實驗發現復合材料的膨脹率只有38%，遠低于物理混合的硅碳納米材料的71%，更接近天然石墨的15%。這種特殊的結構構筑一方面確保了硅和天然石墨之間的兼容性，另一方面有效避免了傳統機械混合中石墨粉和殘留的硅顆粒引發的嚴峻的副反應。
圖2 各種電極的電化學性能表征
圖3 石墨負極和SGC復合負極全電池性能對比
隨后研究者又進行了半電池和全電池的電性能測試，在電極密度為1.6 g/cm-3，面積容量>3.3 mAh/cm2，含膠量<4%的條件下，這種復合負極第一次循環庫倫效率為92%，循環6次之后庫倫效率便快速提高到99.5%，100次循環之后，容量保持率高達96%。
進一步以鈷酸鋰作為正極材料組裝全電池，發現SGC/鈷酸鋰(LCO)全電池能量密度1.043 Wh/L-1，高于目前商業鋰離子電池(900 Wh/L-1),平均放電電壓3.77V，同時具有良好的循環性能。
因此，使用CVD法制備的這種碳-硅-石墨納米復合材料，有望取代現有的石墨負極，成為新一代商用鋰離子電池負極材料。
