提高锂离子电池能量密度的最有效的方法介绍

作为活性物质，硅在充电/放电周期内插入和脱出锂时，体积改变到达270%，循环寿命差。这个体积胀大会导致：

（1）硅颗粒的破坏，以及涂层从铜集流体中别离；

（2）固体电解质（SEI）膜在循环进程中不稳定性，体积胀大使SEI决裂并再不断重复构成，导致锂离子电池的失效。

压实工序会使固相接触更严密，进步极片的电子传输功能。可是，孔隙率太低又会添加锂离子传输阻力，和电极/电解液界面电荷转移阻抗，倍率功能变差。

一般，石墨电极孔隙率优化控制在20%-40%，而硅基电极，压实后功能变差，这些极片一般孔隙率60%-70%，高孔隙率能够和谐硅基资料的体积胀大，缓冲颗粒剧烈变形，减缓粉化和掉落。可是，高孔隙率硅基负极极片限制了体积能量密度。那么，锂离子电池硅基负极极片该怎么制备呢？KarkarZ等人研讨了硅电极的制备工艺。

首先，他们采用了两种拌和方法制备80wt%的硅，12wt%的石墨烯和8wt%的CMC电极浆料：

（1）SM：惯例的球磨涣散工艺；

（2）RAM：两步超声涣散工艺，第一步在PH3缓冲溶液（0.17M柠檬酸+0.07MKOH）中超声涣散硅和CMC，第二步加入石墨烯片和水继续超声涣散。

如图1a和d所示，有关石墨片，超声涣散RAM坚持了石墨烯片原始描摹，片长大于10μm，与集流体平行散布，涂层孔隙率更高，而SM拌和使石墨烯片断裂，石墨烯片长只有几微米。未压实的RAM极片孔隙率约72%，大于SM电极的60%。

有关硅，两种拌和方法无差别。纳米片状石墨烯具有杰出的电子导通能力，RAM涣散坚持了石墨烯片的完整性，电池循环功能好。

然后，他们研讨了压实对电极的孔隙率、密度以及电化学功能的影响。如图1所示，压实后，石墨烯片和硅的描摹没有显著改变，仅仅涂层更加密实。将极片制作成半电池测试电化学功能，从图2可知：

（1）跟着压实压力添加，电极孔隙率下降，密度添加，体积比容量添加。

（2）未压实极片，RAM孔隙率大约72%，大于SM电极的60%。而且RAM电极压实更加困难，到达35%孔隙率，RAM电极需求15T/cm2压力，而SM极片只需5T/cm2。这是因为石墨烯片变形困难，RAM极片坚持了石墨烯片状结构，更难压实。

（3）根据完全锂化硅体积胀大193%核算体积比容量。20T/cm2压实下，体积比容量最大，RAM和SM电极孔隙率分为34%、27%，对应体积比容量分别1300mAh/cm3、1400mAh/cm3。

别的，他们还发现压实极片熟化处理能改善循环功能。极片压实时，粘结剂与活物质颗粒可能在颗粒之间的摩擦力用途下断裂，甚至粘结剂自身键断裂，从而极片机械稳定性变差，循环功能裂化（图4a）。

而熟化进程是把极片放置在湿度80%的环境下2~3天，在这个进程中，粘结剂会发作搬迁，更好地铺展在活物质颗粒表面，从头树立更多更牢的衔接，别的，熟化时铜箔会发作腐蚀，铜箔与粘结剂构成Cu（OC（=O）-R）2化学键，结合力添加，也会按捺涂层掉落。因而，熟化处理能够进步极片稳定性和循环功能。

涣散-压实-熟化进程极片的微观结构改变示意图如图4c所示，压实导致粘结剂断裂，循环稳定性变差，而熟化时粘结剂搬迁从头树立衔接，极片微观结构发作改变，机械稳定性进步，相应循环功能进步。

假如先对极片熟化处理，再压实，极片循环功能有所改善，可是用途不明显（图4b）。这是因为熟化增强了极片机械稳定性，可是随后的压实又破坏了粘结剂的衔接。

因而，有关硅基电极，为了进步循环功能，缓冲硅的体积胀大，极片孔隙率要高，可是为了进步体积能量密度，压实极片下降极片厚度时，需求在进行极片熟化处理改善电极微观结构。