中南大學(xué)周向陽教授：CVD法有望成為固態(tài)電池硅基負(fù)極的主流制備工藝，但仍面臨一系列挑戰(zhàn)

 

近日，中國粉體網(wǎng)了訪中南大學(xué)的周向陽教授，就硅基負(fù)極材料的制備技術(shù)、挑戰(zhàn)和研究方向等一系列問題進(jìn)行了探討交流。

 

在固態(tài)電池負(fù)極材料的選擇上，周教授認(rèn)為，固態(tài)電池是目前最有希望突破傳統(tǒng)鋰離子電池性能瓶頸的儲能器件，它可以大幅突破傳統(tǒng)鋰電的能量密度瓶頸，同時(shí)，理論上還具有高安全與全場景使用的優(yōu)點(diǎn)。由于目前可實(shí)際應(yīng)用的正極材料的容量均存在天花板（如：層狀結(jié)構(gòu)鈷酸鋰?yán)碚摫热萘?74，實(shí)際比容量135-140；尖晶石型錳酸鋰?yán)碚摫热萘?48，實(shí)際比容量100-130；橄欖石型鐵鋰?yán)碚摫热萘?70，實(shí)際只可發(fā)揮出130-150；層狀三元理論比容量278，目前實(shí)際可發(fā)揮的容量為150-200），為了發(fā)揮固態(tài)電池高能量密度的長項(xiàng)，采用高容量負(fù)極意義重大。在人們已經(jīng)研究過的、通過嵌入、合金化或轉(zhuǎn)換反應(yīng)實(shí)現(xiàn)儲鋰的負(fù)極材料中，金屬鋰由于有3820mAh/g的高理論容量與3.7V的電位（鈷酸鋰為正極時(shí)）得到了廣泛研究，但枝晶、死鋰和體積膨脹等問題到現(xiàn)在為止沒有從根本上解決，鋰作為負(fù)極時(shí)的快速循環(huán)衰減和安全風(fēng)險(xiǎn)問題嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。在這個(gè)背景下，硅負(fù)極由于有4200mAh/g的高理論容量與0.4V左右的對鋰電位，為固態(tài)突破容量瓶頸與解決安全問題提供了新的方案。

 

周教授認(rèn)為，盡管硅負(fù)極有上述的優(yōu)點(diǎn)，但嵌/脫鋰過程的體積效應(yīng)以及本征電導(dǎo)率低（電導(dǎo)率為10-4數(shù)量級）依然是該材料實(shí)際使用中不可回避的問題，這些問題帶來的主要后果是循環(huán)差以及難進(jìn)行高倍率充放電。納米化是解決硅負(fù)極問題的有效手段，為此，人們開發(fā)了砂磨法、去合金法、冶金還原法等技術(shù)來制備納米硅與高電導(dǎo)組分彌散強(qiáng)化導(dǎo)電性能的微納結(jié)構(gòu)多孔硅；采用納米硅與高電導(dǎo)炭復(fù)合也是解決硅負(fù)極問題的另一類有效措施，例如，近幾年來大家都在開發(fā)的CVD法。在上述改善納米硅性能的方法中，周教授認(rèn)為CVD法最有可能成為固態(tài)電池硅負(fù)極的主流制備方法，但是這個(gè)方法在產(chǎn)業(yè)化方面依然存在一些問題，因?yàn)楣虘B(tài)電池和液態(tài)電池對硅負(fù)極材料性能要求不一樣，固態(tài)電池中的硅負(fù)極最重要的是要解決載流子的輸運(yùn)的問題，所謂載流子輸運(yùn)指的是離子和電子的傳輸，離子和電子的傳輸阻抗要進(jìn)一步降下來，才有可能真正讓固態(tài)電池發(fā)揮自己的優(yōu)勢，因此CVD法依然還要再進(jìn)一步地改進(jìn)。

 

 

在硅基負(fù)極應(yīng)用于固態(tài)電池所面臨的挑戰(zhàn)方面，周教授認(rèn)為，第一個(gè)就是離子導(dǎo)電和電子導(dǎo)電的提升，第二個(gè)就是體積膨脹效應(yīng)所帶來的惡化循環(huán)性能、增大界面阻抗問題，因此未來還是要圍繞如何降低載流子在界面與負(fù)極體相中輸運(yùn)阻抗和抑制負(fù)極體積膨脹方面開展研究；另外，降低硅負(fù)極制造成本，是加快固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵。

 

目前，周教授團(tuán)隊(duì)對于固態(tài)電池用硅基負(fù)極材料的研究方向，第一個(gè)工作是圍繞降成本。該研究團(tuán)隊(duì)正在以太陽能光伏領(lǐng)域用的切割粉以及光伏行業(yè)報(bào)廢硅片等廉價(jià)原料開發(fā)硅負(fù)極，這些硅原料大多是晶態(tài)，因?yàn)殇囯x子沿硅[110]晶面擴(kuò)散能壘低于其他晶面，導(dǎo)致晶態(tài)硅具有明顯的各向異性，這非常不利于倍率性能的提升。為此，在這方面做了做了很多研究，相關(guān)工作發(fā)表在最近的EES與AFM等高檔雜志上，這些研究主要集中在造缺陷與降低其晶粒尺寸方面。第二個(gè)工作是構(gòu)建全新結(jié)構(gòu)的硅負(fù)極，希望可以解決載流子輸運(yùn)與體積膨脹問題。目前正在開展雙導(dǎo)電新結(jié)構(gòu)硅負(fù)極開發(fā)以及可獲得高壓實(shí)、高電導(dǎo)的全新CVD硅基負(fù)極技術(shù)研究。關(guān)于工作進(jìn)度，周教授團(tuán)隊(duì)的第一個(gè)工作正在做放大驗(yàn)證試驗(yàn)，第二個(gè)工作還在實(shí)驗(yàn)室研究中。

 

來源：中國粉體網(wǎng)