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硅负极在高能量密度锂离子电池的应用问题分析

作者:元能科技(厦门)有限公司 浏览: 发表时间:2021-07-18 09:00:00

作者信息及文章摘要

2017年,JaephilCho团队总结了硅负极应用在高能量锂离子全电池中面临的几个问题,为了提升电池的体积能量密度,需要从电芯体系设计方面考虑对电化学性能的影响,而且重点分析了电极膨胀和容量损失的原因,指出在硅负极的开发及应用过程中要更加关注电芯工艺对性能的影响。


硅负极的问题及现状

1. 硅负极的固有特性:电导率低~10-3S/cm,在电芯充放电过程中形成LixSi合金时体积膨胀量大~400%;

2. 硅负极的几种失效现象:颗粒破碎和粉化、SEI膜不稳定、失去电接触、Li离子被困在失效位点等。

3. 常用的几种硅负极改进策略:硅纳米化、硅表面包覆、掺杂合金相、核壳结构、石墨或碳包覆硅。

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图1.Si负极的问题及改进策略汇总


全电池设计流程

当硅作为全电池负极材料时,需要根据客户对电芯性能的要求确认材料配方及工艺参数等,大致的流程如图2所示,在确保满足客户需求的情况下最终组装成全电池并对其进行电化学性能验证。

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图2.电池设计流程图


硅负极的两个重要性能分析

1. 电极膨胀

负极电极的厚度膨胀会导致电池厚度膨胀,从而影响电池的体积能量密度,当电极的膨胀比例超过60%时,电池的体积能量密度会严重降低。硅碳复合的负极材料克容量越大,电极的膨胀厚度也越大,目前可以通过离位或原位的方法来定量表征电池的厚度膨胀。

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图3.电极能量密度与厚度膨胀的关系


2. 硅负极全电池的容量衰减

当硅负极被组装成半电池和全电池时,容量衰减的机理是不同的。对半电池来说,由于使用锂片作为一侧电极,因此锂源是充足的,而全电池在充放电过程中的锂离子来自于正极,且锂含量是有限的,当电池在初始充电形成SEI时,消耗掉一部分锂离子后,全电池的锂源在不断减少,且正负极的电位均在不断增加,这会导致正负极可用的SOC区间偏移,进而导致可发挥的容量减少。由于半电池和全电池的组装结构不同,电解液的添加量也会不同,半电池中的空隙结构使其有充足的电解液可供循环使用,可全电池由于空间的限制使其在循环后期会由于电解液不足而出现容量衰减加速。

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图4.半电池和全电池的容量衰减对比


总结

本文总结了硅负极应用在高能量锂离子全电池中面临的几个问题,为了提升电池的体积能量密度,需要从电芯体系设计方面考虑对电化学性能的影响,而且重点分析了电极膨胀和容量损失的原因,指出在硅负极的开发及应用过程中要更加关注电芯工艺对性能的影响。

 

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参考文献

SujongChae, Minseong Ko,Kyungho Kim,Kihong Ahn and Jaephil Cho. Confronting Issues ofthe Practical Implementation of Si Anode in High-Energy Lithium-Ion Batteries.Joule 1, 47–60, September 6, 2017.



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