中国科学院长春应用化学研究所、吉林师范大学、加州大学组成的科研团队用一种新颖的方法将硅颗粒限制在碳纳米管中，并利用温室气体二氧化碳作为碳涂层来源，成功解决了锂离子电池（LIB）负极材料性能瓶颈问题。这项研究成果不仅为锂离子电池行业带来了突破性进展，而且对于大规模储能技术和环境保护具有深远的社会影响。
长期以来，锂离子电池因其高能量密度、良好安全性及长循环寿命等特点，在消费电子设备和电动汽车领域得到广泛应用。然而，传统硅基负极材料在充放电过程中体积变化剧烈，导致库仑效率低和容量快速衰减，极大地限制了其在高能锂离子电池中的实际应用。为了攻克这一难题，科研团队着手探索一种既能抑制硅体积膨胀又能保持其高比容量的新方法。
该研究团队采用了一种创新的脱合金策略，在特定的二氧化碳气体环境中设计并制备出新型硅碳复合材料。他们以硅化镁为前驱体，在反应过程中，二氧化碳与实时释放的镁发生反应，生成均匀且厚度可控的碳包覆层，有效地将硅颗粒限制在碳纳米管内，形成了结构稳定的[email protected]复合材料。
纳米管状硅碳复合材料的合成示意图。
实验结果显示，这种复合材料在0.2Ag-1电流密度下表现出高达2302.5mAhg-1的首次放电比容量，即使在5Ag-1的高电流密度下，仍能实现714.6mAhg-1的优异倍率容量，且经过多次循环后，仍保持良好的循环稳定性，初始库仑效率达到了70%。此外，通过原位微分电化学质谱分析发现，这种复合材料形成的固体电解质界面层更稳定，减少了气体逸出现象，进一步提高了其电化学性能。
(a) [email protected]在0.1mVs−1下的CV测试，(b) [email protected]在0.2Ag−1下的恒电流充放电曲线，(c, d) [email protected]的循环性能和倍率能力[email protected]、[email protected]和[email protected]，(e) [email protected]在 0.5Ag-1下的循环性能。
(a) Si负极预锂化示意图以及预锂化过程中的Li +路径，(b, c) [email protected] h与层状金属氧化物正极的容量匹配和循环性能，(d, e)循环性能和全电池的恒流充放电曲线。
目前，这项研究正处于实验室阶段并已取得显著成果，但仍需对规模化生产和长期稳定性等方面进行深入研究和优化。一旦成功实现大规模制备，其在锂离子电池行业的应用将有望推动整个储能领域的革新，提高电池的能量密度和使用寿命，从而助力电动汽车续航里程提升以及电网规模储能技术的发展。
该研究成果不仅局限于锂离子电池领域，其绿色利用二氧化碳合成高性能储能材料的技术路径也为其他相关领域提供了新的解决方案。例如，在太阳能电池、智能电网及可穿戴电子设备等能源转换与储存系统中，这类基于废弃物资源再利用的先进材料有望发挥重要作用，促进社会经济可持续发展的同时，也为解决全球环境问题开辟了新的道路。
参考资料
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
