硅碳负极复合材料及电化学界面特性的研究

Lithium ion batteries have been widely used in electric vehicle and other electricity storage system. To explore battery system with higher energy density is urgent demand from the development of EVs. Silicon has been regarded as one of ideal anode material for Li-ion battery due to its high capacity. In the project, we will develop a hollow structured silicon nano-sphere(HSNS)，which can tolerate the volume expansion during its lithium alloy reaction, by using CVD, supercritical and melting salt electrolysis methods. We will also develop the composite material of polymer electrolyte and HSNS, where polymer electrolyte will be filled into pores of HSNS to confine SEI film growth. In the project, mechanisms of volume expansion for HSNS with various curvature will also be investigated. The composite of HSNS and carbon materials will be studied and their behaviors in Li-ion battery will be test. The expected results will help the industrialization of silicon anode materials.

近年来，锂离子电池已广泛应用于电动汽车、储能系统等新能源领域，发展高能量密度电池一直是该领域内的热点课题。硅材料具有高容量的特点，被认为是下一代锂离子电池的理想负极材料，但因体积膨胀而引起的循环性差的难题一直是该材料产业应用的障碍。为防止硅合金化反应时的颗粒破碎及SEI膜的过度生长，本项目拟研制具有空心结构的纳米硅材料，并利用固态聚合物电解质填充空心硅球，限制SEI的生长空间，抑制SEI膜的过度生长，提高硅材料库仑效率，探究具有不同内外曲率半径的硅负极材料在充放电过程中的膨胀收缩过程以及SEI膜在内外表面的生长状态，探讨纳米空心硅材料与碳材料复合方法，以期获得高能量密度、高导电性和高机械强度的硅碳复合材料及其低成本制备技术，为硅负极的产业化应用提供技术支撑。

硅具有高的容量，是下一代锂离子电池的理想负极材料，但由于其与锂合金化反应时存在巨大的体积膨胀，进而会在负极表面引起SEI膜的过度生长，这是硅负极材料的循环寿命差的关键科学问题。本项目开创性地开展的纳米空心硅负极的研究，我们首次发现，纳米空心硅与锂进行合金化反应时向空腔内膨胀的现象，这样确保了硅外表面的稳定性，从而从根本上抑制了SEI的生长，进一步地，我们向纳米空心硅的内腔中填充固合物电解质，从而是进一步限制了SEI的生长空间，从而提高了硅的循环稳定性；为了促进纳米空心硅的进一步产业化应用，我们开展了硅碳复合工艺的研究，我们发现碳的种类对硅碳复合负极的性能具有较大的影响作用，具有较高硬度的碳，可以抑制Li15Si4相的产生。我们开发出沸腾床反应器，成功实现了纳米空心硅公斤级制备。该项目的实施，将促进硅负极在锂离子电池中的应用，进而促进我们锂离子电池的水平提升。发表学术论文25篇，申请发明专利18项，已完成了项目规定的研究目标。