導讀： 提起硅負極你想到的是什么呢？大容量、高體積膨脹？硅負極作為新一代的鋰離子電池負極材料，其容量*高可達4200mAh/g，是石墨負極材料的10倍以上，是*具希望的下一代鋰離子電池負極材料。
OFweek鋰電網訊 提起硅負極你想到的是什么呢？大容量、高體積膨脹？硅負極作為新一代的鋰離子電(dian)池負極材料，其容量*高可達4200mAh/g，是石墨負極材料的10倍以上，是*具希望的下一代鋰離子電池負極材料。
在這耀眼的(de)(de)(de)光環下(xia)，硅負(fu)(fu)極也存在著難以克(ke)服的(de)(de)(de)缺(que)點，這主要源于硅負(fu)(fu)極在嵌(qian)鋰過程中嚴重的(de)(de)(de)體(ti)積(ji)(ji)(ji)膨(peng)脹，在完全嵌(qian)鋰狀態下(xia)，硅負(fu)(fu)極的(de)(de)(de)體(ti)積(ji)(ji)(ji)膨(peng)脹可達300%，這會造成材料顆(ke)粒的(de)(de)(de)粉化和脫落(luo)，嚴重影響其(qi)電(dian)(dian)化學性能。人們竭(jie)力(li)減少(shao)硅負(fu)(fu)極材料的(de)(de)(de)體(ti)積(ji)(ji)(ji)膨(peng)脹，例如納米顆(ke)粒、薄(bo)膜電(dian)(dian)極、碳包(bao)覆處理等(deng)方(fang)法，都是(shi)人們為克(ke)服硅負(fu)(fu)極膨(peng)脹所做出的(de)(de)(de)努力(li)。體(ti)積(ji)(ji)(ji)膨(peng)脹對于鋰離子電(dian)(dian)池是(shi)一(yi)(yi)個(ge)(ge)壞消(xiao)息，但(dan)是(shi)讓我(wo)們換個(ge)(ge)角度考慮一(yi)(yi)下(xia)，硅負(fu)(fu)極巨大的(de)(de)(de)體(ti)積(ji)(ji)(ji)膨(peng)脹是(shi)不(bu)是(shi)還有一(yi)(yi)些(xie)特使的(de)(de)(de)用(yong)途呢？
清華(hua)大學(xue)的(de)(de)Jialiang Lang等人就利用了(le)(le)硅負(fu)極在(zai)(zai)充放電(dian)(dian)過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)體(ti)積膨(peng)脹開發了(le)(le)一(yi)(yi)款“微型起(qi)重機(ji)(ji)”。該(gai)(gai)“微型起(qi)重機(ji)(ji)”實(shi)(shi)際上是一(yi)(yi)個(ge)軟(ruan)包鋰離子電(dian)(dian)池(chi)(chi)，其正極采用了(le)(le)體(ti)積變化(hua)很小的(de)(de)LiFePO4材(cai)料(liao)，而負(fu)極使用了(le)(le)硅負(fu)極材(cai)料(liao)，電(dian)(dian)池(chi)(chi)容量為(wei)2.1Ah。并利用該(gai)(gai)電(dian)(dian)池(chi)(chi)進行(xing)了(le)(le)“舉(ju)水實(shi)(shi)驗”，在(zai)(zai)實(shi)(shi)驗中(zhong)(zhong)該(gai)(gai)電(dian)(dian)池(chi)(chi)通過(guo)充電(dian)(dian)“舉(ju)起(qi)”了(le)(le)637.5g的(de)(de)水，在(zai)(zai)完全充電(dian)(dian)狀態下電(dian)(dian)池(chi)(chi)膨(peng)脹所產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)壓(ya)強達(da)到了(le)(le)25.8KPa，在(zai)(zai)后(hou)續的(de)(de)循環過(guo)程中(zhong)(zhong)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)了(le)(le)平均21KPa的(de)(de)壓(ya)力(li)。后(hou)續的(de)(de)研究表明，該(gai)(gai)電(dian)(dian)池(chi)(chi)能(neng)(neng)夠產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)*高壓(ya)力(li)可達(da)17MPa。在(zai)(zai)整個(ge)充放電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)平臺期(qi)間，該(gai)(gai)電(dian)(dian)池(chi)(chi)可以持續產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)10MPa以上的(de)(de)壓(ya)力(li)。在(zai)(zai)該(gai)(gai)過(guo)程中(zhong)(zhong)，充電(dian)(dian)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)能(neng)(neng)量分(fen)為(wei)3部(bu)分(fen)，一(yi)(yi)部(bu)分(fen)轉(zhuan)化(hua)為(wei)機(ji)(ji)械能(neng)(neng)，一(yi)(yi)部(bu)分(fen)轉(zhuan)換為(wei)化(hua)學(xue)能(neng)(neng)儲存在(zai)(zai)電(dian)(dian)池(chi)(chi)中(zhong)(zhong)，一(yi)(yi)部(bu)分(fen)則轉(zhuan)化(hua)為(wei)熱能(neng)(neng)耗散了(le)(le)。
當然對于(yu)一(yi)款意在(zai)將電(dian)(dian)能(neng)轉換(huan)為(wei)機械能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)設備，快速(su)(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)響(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)力(li)自然是(shi)十分重要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，Jialiang Lang對電(dian)(dian)池(chi)在(zai)快速(su)(su)充放電(dian)(dian)模(mo)式下(xia)，體積(ji)膨脹(zhang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)響(xiang)應(ying)速(su)(su)度(du)(du)(du)(du)進行了研(yan)究。研(yan)究表明電(dian)(dian)池(chi)膨脹(zhang)對脈(mo)沖(chong)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)有著很(hen)好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)響(xiang)應(ying)速(su)(su)度(du)(du)(du)(du)。并且膨脹(zhang)距離與充電(dian)(dian)時間(jian)基(ji)本呈現線性關(guan)系，在(zai)2A/g的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)密度(du)(du)(du)(du)下(xia)，膨脹(zhang)速(su)(su)度(du)(du)(du)(du)為(wei)1.6nm/s，因此該(gai)(gai)(gai)方(fang)案(an)可以(yi)用于(yu)納(na)米精度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)定位(wei)。電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)膨脹(zhang)速(su)(su)度(du)(du)(du)(du)主要與硅負極(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)面密度(du)(du)(du)(du)、電(dian)(dian)池(chi)厚度(du)(du)(du)(du)和電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)密度(du)(du)(du)(du)相(xiang)關(guan)，因此在(zai)電(dian)(dian)池(chi)定型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)前提下(xia)，我們(men)可以(yi)通過控(kong)制電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)式來控(kong)制電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)膨脹(zhang)速(su)(su)度(du)(du)(du)(du)，從而達(da)到我們(men)所需要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)控(kong)制精度(du)(du)(du)(du)。在(zai)該(gai)(gai)(gai)研(yan)究中(zhong)，Si負極(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)容量發揮僅(jin)為(wei)800mAh/g，因此該(gai)(gai)(gai)“微型起(qi)重機”還有很(hen)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)提升(sheng)空(kong)間(jian)。該(gai)(gai)(gai)“微型起(qi)重器(qi)”能(neng)夠(gou)**的(de)(de)(de)(de)(de)(de)產生納(na)米尺度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)移，并能(neng)承受巨大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)負載(zai)，因此可以(yi)應(ying)用在(zai)一(yi)些需要在(zai)納(na)米級高精度(du)(du)(du)(du)定位(wei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)領域，例如操作(zuo)掃描隧道(dao)顯微鏡(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)探針(zhen)等(deng)。反其道(dao)而行之，往往能(neng)取得不(bu)錯的(de)(de)(de)(de)(de)(de)效果。
