清華大學在提升鋰離子電池負極材料性能上取得進展

來源：儲能科學與技術  

技術領域：鋰離子電池負極材料

開發單位：清華大學化學工程系 魏飛

技術突破：通過兩步過程提出了一種雙殼涂層結構復合材料，800次循環后，化合物的初始放電容量為1624.7mAhg-1，首次庫侖效率為81.2%，容量保持率為89.5%，在10g-1時可逆容量為949.7mAhg-1。

文章名稱：Zhexi Xiao, Fei Wei, et al.TiO2 as a multifunction coating layer to enhance the electrochemical performance of SiOx@TiO2@C composite as anode material. Nano Energy, 2020, 77, 105082.

應用價值：本研究為鋰離子電池表面涂層和高性能負極材料的研制提供新的技術思路。

發展高性能電極材料用以滿足下一代鋰離子電池對于高能量密度方面的需求，已經成為了世界范圍內的焦點問題。硅因其最高的理論容量及較合適的工作電壓被認為是最有潛力的一類負極材料。然而，顯著的體積膨脹、與電解液發生嚴重的副反應極大阻礙了硅負極的商業化進程。一氧化硅作為硅負極的改進材料，與硅相比化學性質大幅度改善，并具有更低的體積膨脹率，成為了替代硅負極的優選材料。然而，SiOx材料在實際應用中主要有兩個關鍵問題需要解決。一是體積膨脹不可忽視，導致電接觸變差及顆粒粉化。另一方面是電極與電解液界面在工作電壓下的非電化學穩定性，會導致固體電解質膜的不可控生長，造成的高電子離子傳輸阻力顯著影響循環及倍率性能。表面涂層是解決上述關鍵問題的最普遍的策略。

圖1 SiOx@TiO2@C復合物的制備及循環特性

清華大學魏飛教授團隊通過兩步過程提出了一種雙殼涂層結構復合材料(表示為SiOx@TiO2@C)。通過引入高質量的銳鈦酶相TiO2層，實現了界面高度穩定，降低了復合材料對電子和離子擴散的抵抗力。800次循環后，初始放電容量為1624.7mAhg-1，首次庫侖效率(ICE)為81.2%，容量保持率為89.5%，在10g-1時可逆容量為949.7mAhg-1。全尺寸電池組的初始區域容量為2.6mAhcm-2，ICE高于90%。能量勢壘高約1.5倍，說明TiO2層對副反應有阻斷作用。累積焓降低近4倍，說明銳鈦酶相TiO2層對熱穩定性有積極作用。

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