锂离子电池硅氧负极材料的研究进展

杨乐之,刘志宽,方自力,石润锋

( 长沙矿冶研究院有限责任公司,湖南 长沙 410083 )

目前商业应用较成熟的锂离子电池体系是石墨负极搭配锂金属氧化物正极。 石墨负极的比容量约为360 mAh/g,而锂金属氧化物正极的比容量更低,一般不到200 mAh/g,因此需要开发高容量的材料,替代当前使用的材料[1-2]。

硅的理论比容量(4 200 mAh/g)比石墨高10 倍以上;且原料来源广泛,适合大规模的生产和应用,是锂离子电池负极的下一代理想材料[3]。 单质硅在嵌脱锂过程中的体积变化大(约400%),且本征导电率较低,循环和倍率性能不佳,目前难以大规模商用[4-5]。 相比于单质硅材料,SiOx负极材料的比容量(1 965 ～4 200 mAh/g,且随氧含量的增加而降低)虽略低[6],但循环性能更好,是有望全面商用的硅基负极材料,并已在Tesla 电动汽车动力电池上得到少量应用[7]。

本文作者对SiOx材料的结构、电化学性能、相关机理和复合改性研究进展进行综述,系统总结提升SiOx负极材料性能的方法,并对改进工作的方向进行展望。

1 SiOx 材料的结构

SiOx是一种无定形结构占主导地位的材料,人们提出了随机键合(RB)和随机混合(RM)模型来解释该材料的结构[8]。 RB 模型将SiOx材料描述成一种连续的单相结构,SiOx中的Si—Si 键和Si—O 键随机分布,组成整个SiOx材料的网络结构Si-(SiyO4-y),(0＜y＜4);在RM 模型中,SiOx被认为是一种Si-SiO2双相材料,是由小区域的无定形Si 相和SiO2相组成的混合物。 这两种模型都有自身的局限性,无法完全解释SiOx的电化学行为。

A.Hohl 等[9]基于上述两种模型和高分辨透射电镜(HRTEM)、X 射线光电子能谱(XPS)等测试结果,提出SiOx材料的结构模型——界面晶簇混合(ICM)模型。……