中國粉體網(wǎng)訊 隨著新型負極材料研究的深入，硅基負極日益受到關注，并且已經(jīng)邁出了商業(yè)化應用的步伐。硅基負極的前景被大家看好，但是硅負極存在天然的缺陷，比如導電性差、體積膨脹等，嚴重限制了硅基負極的實際應用。
針對硅基負極存在的問題，研究者嘗試了很多改性策略。其中，表面包覆改性是有效手段之一。通常表面包覆層可以是堅韌的，也可以是柔韌的，不僅需要能夠緩沖應力，還要有優(yōu)良的導電性，為鋰離子和電解質提供快速的轉運通道，同時有著電化學穩(wěn)定，可以使得硅負極保持相對獨立，保護硅負極不受電解液的影響。表面的包覆層需要有效地緩解巨大的體積膨脹帶來的機械應力，以提高負極結構的穩(wěn)定性。同時能夠保證表面SEI膜可以穩(wěn)定存在。關于硅負極的包覆改性，碳包覆、金屬及金屬氧化物包覆、高分子聚合物包覆、石墨烯包覆等受到了廣泛關注和報道。
1、碳包覆
碳包覆的手段是目前改良Si和SiO負極原料電化學性能最常見且有效的方式。主要原因有以下幾點：①碳包覆層具有良好的導電性能，可以實現(xiàn)鋰離子的快速傳輸；②與其他無機包覆層相比，碳包覆層具有更好的韌性，可以很好的適應體積膨脹引起的應力變化，具有一定的延展性；③可以通過許多不同的方法或者前驅體簡單的制備獲得，具有大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的潛能；④能夠有利于形成穩(wěn)定的SEI膜。由于以上原因，有大量的研究者采用商業(yè)化SiO粉末和石墨或有機碳源為前驅體制備SiOx/C復合負極材料。
2、金屬及金屬氧化物包覆
金屬及其合金有著高彈性模量、高硬度等一系列優(yōu)良的機械性能，并且有著得天獨厚的優(yōu)良導電性。這些優(yōu)秀的性能在緩解納米硅循環(huán)過程中的膨脹效應以及提升納米硅導電性能方面意義非凡。但是，金屬包覆層材料需要有著可以將鋰離子傳輸?shù)轿挥谥行奈恢玫墓璧哪芰�，同時包覆層又不能和鋰離子以及電池電解液發(fā)生化學反應。這些條件都對包覆層金屬的選擇提出了更高的要求。實驗表明，金屬在改善電極的導電性以及給硅膨脹提供機械應力方面有著顯著的效果，因此，各種不同的金屬材料被用來充當硅的包覆層，例如金屬銅、金屬鋁、金屬鎂、金屬鎳、金屬鈷等等。
此外，金屬的氧化物由于其不良的導電性能，作為硅的包覆層后便可形成人工SEI的作用，防止硅與電解液的直接接觸，進而減少電解液成分的損失，保持電極結構的穩(wěn)定，提高硅負極的循環(huán)壽命以及庫倫效率。比如氧化鋁作為一種優(yōu)良的離子導體，將其作為硅負極的表面包覆層，不僅不會阻礙鋰離子的傳輸，還可以緩解硅負極材料在充放電循環(huán)中的龜裂問題，維持負極材料的結構穩(wěn)定性。
3、高分子聚合物包覆
納米硅顆粒表面的包覆材料需要有著良好的導電性，這樣既可以提供支撐作用也可以改善納米硅顆粒的導電性能。導電高分子聚合物憑借著不錯的化學穩(wěn)定性、優(yōu)良的導電性以及結構的多變性常常被用來作為電極材料的包覆層。在硅表面附著堅固且均勻的導電聚合物作為包覆層，以改善硅負極材料結構的穩(wěn)定性和相關的電化學性能是一項有意義的策略。聚苯胺、聚對苯、聚吡咯以及聚噻吩等高分子聚合物均有用在硅納米顆粒表面改性的方案中，高分子作為包覆層附著于納米硅表面，由于高分子的柔性，使得高分子包覆層不僅可以容納納米硅體積的膨脹變化，也能防止電解液直接滲透核心的納米硅中。
4、石墨烯包覆
石墨烯作為一種新型碳材料，憑借著其超大的比表面積、不可多得的導電性以及不錯的機械柔性，已經(jīng)被廣泛應用于復合硅納米材料之中。石墨烯在與納米硅復合后，因為其特殊的蜂窩狀網(wǎng)格的結構，不僅是電子的優(yōu)秀導體，也可以為鋰離子的運輸提供快速通道。實驗表明，作為優(yōu)良的二維結構碳材料的石墨烯為在充放電進程中膨脹收縮的納米硅提供了堅實的骨架支撐以及較強的機械應力，在幫助增強納米硅顆粒的電子傳導和鋰離子的輸運等方面都有著很大的貢獻。
針對各類負極材料的產(chǎn)業(yè)化技術與國內外市場狀況，中國粉體網(wǎng)將于9月20-21日在青島舉辦2022先進負極材料技術與產(chǎn)業(yè)高峰論壇，旨在為負極材料產(chǎn)業(yè)鏈上中下游企業(yè)搭建深度交流的平臺，開展產(chǎn)、學、研合作，助推負極材料行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。屆時，清華大學魏飛教授將作題為《包覆對硅基負極材料的影響》的報告，對硅基負極的包覆改性問題進行詳細介紹。
專家簡介：
魏飛，清華大學化學工程系教授、博士生導師。長期從事流態(tài)化、多相反應工程及碳納米管結構控制與批量生產(chǎn)技術。致力于多相反應器的新概念及新理論研究、研發(fā)用于煤及石油化工、納米材料、清潔能源化學品、環(huán)境等領域的新型過程及設備。國家杰出青年基金（1997）獲得者。北京市“綠色反應工程與工藝”重點實驗室主任。主持設計30余臺多相反應器投入商業(yè)運行，如2000噸/年納米聚團流化床法碳納米管、60萬噸/年流化床甲醇制丙烯、3萬噸/年流化床法甲醇制芳烴及10萬噸/年流化床法苯胺，15萬噸/年下行床催化裂化等，研究成果獲國家科技進步二等獎（2002、2008年）、中石化科技進步一等獎（2001、2007年）、教育部自然科學一等獎（2005、2015年）、發(fā)明一等獎（2012年）。在《Science》《Nature》等雜志發(fā)表論文600余篇，出版專著4部，SCI引用50000余次，H因子97，是2016-2021克萊蒽材料領域高被引學者。
參考來源：
1、朱遠超.納米硅表面的改性以及在鋰離子電池負極材料中的應用
2、巫資龍.碳包覆氧化亞硅負極復合材料的制備與性能研究
3、中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
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