蓋世汽車訊 鋰離子電池(LIB)以其壽命長、儲電性能好、能量密度高、工作電壓高等優(yōu)點，已成為便攜式電子、電動汽車和替代能源經(jīng)濟的基石。改良電極材料，是提高 LIB電化學性能最關鍵可行的方法。目前，電極材料研究已經(jīng)超越了傳統(tǒng)的碳基石墨負極，向過渡金屬氧化物、錫和硅基材料等替代材料發(fā)展。

（圖片來源：JAIST）

硅在地殼中的儲量豐富程度僅次于氧元素。憑借其電子特性，尤其是高容量，這種富有前景的負極材料受到廣泛關注。然而，這種材料在運行過程中的體積變化很大，從而影響其穩(wěn)定性、結構完整性和電性能，導致在充放電過程中出現(xiàn)顆粒破碎或集流器剝落等問題。這些問題阻礙了硅基材料進入商用鋰離子電池行業(yè)。

據(jù)外媒報道，為了解決這些問題，日本北陸先端科學技術大學院大學(Japan Advanced Institute of Science and Technology)的研究員Ravi Nandan、博士生Noriyuki Takamori、技術專家Koichi Higashimine、高級講師Rajashekar Badam和Noriyoshi Matsumi教授，從閃鋅礦中尋找靈感。該團隊提出了一種復雜的、無需儀器的、新穎的策略，可以在相對較低的溫度下制造獨特的閃鋅礦碳化硅納米顆粒。

閃鋅礦系統(tǒng)中的三維金屬間化合物結構，可在其間隙位置輕松容納鋰離子。當鋰離子在主體材料之間穿梭時，這種結構的體積變化很小，從而實現(xiàn)更好的壽命和可逆性。閃鋅礦型材料的硅基對應物是β-碳化硅(SiC)。以前有些研究報告過合成β-SiC復合材料作為負極材料的技術，但大都涉及復雜的程序和儀器。

該團隊設計了一種兩步合成工藝，以制備β-SiC基負極材料，用于鋰離子電池。第一步是在聚多巴胺基質中形成硅納米顆粒；第二步是在摻雜氮的碳基質中將其轉化為β-SiC納米顆粒的特殊變體。有趣的是，與傳統(tǒng)方法相比，這種轉換過程需要的溫度更低，可低至600攝氏度。

然后，將所獲得的材料用于負極半電池配置，并進行電化學篩選。結果表明，該電池具有較高的電流密度、額定容量和良好的可逆鋰離子存儲兼容性。此外，還表現(xiàn)出高容量保持率，在300次充放電循環(huán)后，可保持約94%的容量，放電容量保持在1195 mAhg-1。

這種合成材料可成功地用作負極，當與商用LiCoO2正極結合時，以這種方式形成的全電池展示了β-SiC在商業(yè)LiB系統(tǒng)中的巨大應用潛力。這項研究提出的簡易制備技術，為眾多β-SiC和LiB方面的研究打開了大門。Matsumi教授總結道：“由于在運輸過程中采用化石燃料，全球碳排放量與日俱增。這種β-SiC負極材料的制造方法成本較低，可用于開發(fā)高能量密度電池，以推動更清潔、更綠色的電動汽車行業(yè)的發(fā)展。事實上，其應用有望擴展至其他運載工具，如火車、飛機和輪船?！?/p>

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