提起硅負極你想到的是什么呢?大容量、高體積膨脹?硅負極作為新一代的鋰離子電池負極材料,其容量最高可達4200mAh/g,是石墨負極材料的10倍以上,是最具希望的下一代鋰離子電池負極材料。

在這耀眼的光環(huán)下,硅負極也存在著難以克服的缺點,這主要源于硅負極在嵌鋰過程中嚴重的體積膨脹,在完全嵌鋰狀態(tài)下,硅負極的體積膨脹可達300%,這會造成材料顆粒的粉化和脫落,嚴重影響其電化學性能。人們竭力減少硅負極材料的體積膨脹,例如納米顆粒、薄膜電極、碳包覆處理等方法,都是人們?yōu)榭朔柝摌O膨脹所做出的努力。體積膨脹對于鋰離子電池是一個壞消息,但是讓我們換個角度考慮一下,硅負極巨大的體積膨脹是不是還有一些特使的用途呢?

清華大學的Jialiang Lang等人就利用了硅負極在充放電過程中的體積膨脹開發(fā)了一款“微型起重機”。該“微型起重機”實際上是一個軟包鋰離子電池,其正極采用了體積變化很小的LiFePO4材料,而負極使用了硅負極材料,電池容量為2.1Ah。并利用該電池進行了“舉水實驗”,在實驗中該電池通過充電“舉起”了637.5g的水,在完全充電狀態(tài)下電池膨脹所產生的壓強達到了25.8KPa,在后續(xù)的循環(huán)過程中產生了平均21KPa的壓力。后續(xù)的研究表明,該電池能夠產生的最高壓力可達17MPa。在整個充放電電壓平臺期間,該電池可以持續(xù)產生10MPa以上的壓力。在該過程中,充電產生的能量分為3部分,一部分轉化為機械能,一部分轉換為化學能儲存在電池中,一部分則轉化為熱能耗散了。
