下一代锂电池负极材料：硅薄膜材料

目前商业化锂电池都是以碳基材料作为负极的，但由于石墨负极的可逆容量只有372mAh/g（LiC6），严重限制了未来锂电池的发展，所以研发下一代锂电池负极材料成为新的热点。人们发现在Li22Si5中硅的恒流理论容量达到4200mAh/g，是极具开发潜力的锂离子负极材料。但这种材料的缺点也很突出：在嵌锂和脱锂过程中材料体积会发生膨胀，微观结构发生改变而导致在嵌锂脱嵌过程中电极的断裂和损耗。虽然不少文献提出了很多改进方法，但由于制备出的硅薄膜材料厚度较薄，不适宜商业化生产。为了使硅负极可以应用于实际生产，本文以无定形硅薄膜溅射在铜箔上成功制备出了厚度大于1μ的硅薄膜负极材料并和市场上的LiCoO2制成电池进行了一系列循环和倍率性能测试。

硅薄膜形态的变化

硅薄膜是以物理溅射的方法在表面粗糙的铜箔上的。其表面形貌分析应用的是HRTEM（FEITecnai20）。制备出的硅薄膜材料在80℃下真空干燥24小时，和市场上销售的LiCoO2在手套箱中组成2025扣式全电池。电解液为1MLiPF6/EC+DMC（体积比1：1）；隔膜使用的是Celgard-2300。所有倍率试验和循环性能试验都是在电脑控制的25±1℃恒温系统中进行的。在循环前硅薄膜材料的HRTEM图和SAED图中，涂在铜箔上的硅薄膜是无定形状态的。

图1是反应前硅薄膜材料的SEM图，从图中可以看到膜是表面粗糙而有序的，厚度达到了2μ左右。以0.2C电流密度在2.53.9V电压下，在前80周循环中，硅薄膜材料电池的容量有一个明显的升高过程，而80周循环后脱锂容量达到了最高值0.55mAh/cm2（约1160mAh/g）比初始脱锂容量高了近28％。在300周循环后仍有0.54mAh/cm2（约1139mAh/g），平均每周循环衰减率小于0.01％。我们认为首循环效率较低是由于硅薄膜表面形成SEI膜过程中电解液发生分解所引起的。从第二周循环开始效率逐步上升，10周后效率已经接近100％。

图2是300周循环后硅薄膜的SEM图，从中可以看到循环后膜变得较松散，表面粗糙、不规则，厚度增至6μ左右，体积膨胀了近300％。

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符合Exic IIB T4 Gc防爆标准

充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%

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然而，此时硅薄膜在循环后仍保持了无定形态，可以推测在每次循环锂脱嵌后硅薄膜都是无定形态的。我们相信这种每次脱锂后的无定形态是提高材料循环寿命的关键因素。