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电气学院郑晓泉教授课题组在能源类高影响因子期刊EES上发表锂离子电池硅负极研究成果
来源:电力设备电气绝缘国家重点实验室   作者:管理员   人气:1026  发布时间:2017/1/11
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    锂离子电池已广泛应用于便携式电子设备,电动汽车以及储能领域,但受制于正负极活性物质的比容量,目前商业化的锂离子电池只用于低阶电源需求。硅被认为有望成为下一代锂离子电池大容量负极材料,其理论比容量达4200 mAh/g,是传统石墨负极的十倍以上(340 mAh/g)。然而,硅负极在充放电过程中,体积变化超过300%,导致活性物质脱离集流体失去活性,以及不稳定固体电解质界面(Solid electrolyte interface)SEI的产生,使得硅负极库伦效率低,影响其在全电池中的使用。纳米硅负极一直是研究热点,通过对纳米硅负极包覆一层人工的SEI可以有效的解决硅膨胀收缩以及SEI稳定的问题。然而纳米结构硅负极也面临着粉体振实密度低,无法辊压导致电极压实密度低等工程问题。如何能够给纳米硅负极包覆一层机械强度高,能够承受电池工业辊压的人工SEI,是解决纳米硅负极商业化的一个重要方向。

         

    近日,西安交大电气学院电力设备与电气绝缘国家重点实验室郑晓泉教授课题组与斯坦福大学材料学院崔屹教授和麻省理工学院核工系李巨教授课题组共同合作,制备出具有高压实密度的Si@TiO2结构硅负极全电池,实现了较传统石墨负极2倍的体积比容量(1100 mAh/cm3)和2倍的质量比容量(762 mAh/g)。课题组博士生金阳采用价格低廉的葡萄糖为原料,首先用葡萄糖水热法在纳米硅颗粒表面包覆一层均匀的碳层,再在异丙醇钛溶液中浸泡吸附一层钛源,在空气中煅烧后,碳层被除去,从而在纳米硅负极外表面包覆一层人工的二氧化钛纳米层,合成出高机械强度的Si@TiO2yolk-shell结构负极,原位TEM力学测试显示,其二氧化钛外壳的机械强度是无定形碳的5倍。经过实验测试,该Si@TiO2电极片可以承受高强度的辊压力以提高电极片压实密度,并且通过SEI的自修复,使Si的外表面形成一层致密的人工SEI+自然SEI,可以使稳定的库伦效率达到99.9%以上,满足工业化的应用标准,将有效的推动硅主体负极在电池工业中的商业应用。

    该研究成果以论文形式于2017年1月6日发表在英国皇家化学会能源类著名期刊Energy & Environmental Science(影响因子25.427)上,论文题目为“Self-healing SEI enables full-cell cycling of a silicon-majority anode with a coulombic efficiency exceeding 99.9%”其中金阳为论文第一作者,西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室为论文第一单位。参与该课题的主要研究人员还有同济大学材料学院的李洒博士和麻省理工学院核工系的Akihiro Kushima博士。

论文链接http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/ee/c6ee02685k#!divAbstract

 
 
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