中國科學院長春套用化學研究所、吉林師範大學、加州大學組成的科研團隊用一種新穎的方法將矽顆粒限制在碳奈米管中，並利用溫室瓦斯二氧化碳作為碳塗層來源，成功解決了鋰離子電池（LIB）負極材料效能瓶頸問題。這項研究成果不僅為鋰離子電池行業帶來了突破性進展，而且對於大規模儲能技術和環境保護具有深遠的社會影響。
長期以來，鋰離子電池因其高能量密度、良好安全性及長迴圈壽命等特點，在消費電子裝置和電動汽車領域得到廣泛套用。然而，傳統矽基負極材料在充放電過程中體積變化劇烈，導致庫侖效率低和容量快速衰減，極大地限制了其在高能鋰離子電池中的實際套用。為了攻克這一難題，科研團隊著手探索一種既能抑制矽體積膨脹又能保持其高比容量的新方法。
該研究團隊采用了一種創新的脫合金策略，在特定的二氧化碳瓦斯環境中設計並制備出新型矽碳復合材料。他們以矽化鎂為前驅體，在反應過程中，二氧化碳與即時釋放的鎂發生反應，生成均勻且厚度可控的碳包覆層，有效地將矽顆粒限制在碳奈米管內，形成了結構穩定的[email protected]復合材料。
奈米管狀矽碳復合材料的合成示意圖。
實驗結果顯示，這種復合材料在0.2Ag-1電流密度下表現出高達2302.5mAhg-1的首次放電比容量，即使在5Ag-1的高電流密度下，仍能實作714.6mAhg-1的優異倍率容量，且經過多次迴圈後，仍保持良好的迴圈穩定性，初始庫侖效率達到了70%。此外，透過原位微分電化學質譜分析發現，這種復合材料形成的固體電解質界面層更穩定，減少了瓦斯逸出現象，進一步提高了其電化學效能。
(a) [email protected]在0.1mVs−1下的CV測試，(b) [email protected]在0.2Ag−1下的恒電流充放電曲線，(c, d) [email protected]的迴圈效能和倍率能力[email protected]、[email protected]和[email protected]，(e) [email protected]在 0.5Ag-1下的迴圈效能。
(a) Si負極預鋰化示意圖以及預鋰化過程中的Li +路徑，(b, c) [email protected] h與層狀金屬氧化物正極的容量匹配和迴圈效能，(d, e)迴圈效能和全電池的恒流充放電曲線。
目前，這項研究正處於實驗室階段並已取得顯著成果，但仍需對規模化生產和長期穩定性等方面進行深入研究和最佳化。一旦成功實作大規模制備，其在鋰離子電池行業的套用將有望推動整個儲能領域的革新，提高電池的能量密度和使用壽命，從而助力電動汽車續航裏程提升以及電網規模儲能技術的發展。
該研究成果不僅局限於鋰離子電池領域，其綠色利用二氧化碳合成高效能儲能材料的技術路徑也為其他相關領域提供了新的解決方案。例如，在太陽能電池、智慧電網及可穿戴電子裝置等能源轉換與儲存系統中，這類基於廢棄物資源再利用的先進材料有望發揮重要作用，促進社會經濟永續發展的同時，也為解決全球環境問題開辟了新的道路。
參考資料
Silicon particles confined in carbon nanotubes anode materials by green utilization of carbon dioxide in lithium-ion battery
Jinhui Li, Binglong Rui, Jinfu Zhao, Ruxiu He, Shuang Liu, Wenyue Shi, Xuxu Wang, Limin Chang, Yong Cheng, Ping Nie
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234131
