提高鋰離子電池能量密度最有效的方法是什么?

石墨電極的優(yōu)化孔隙率一般控制在20%~40%，而硅基電極壓實(shí)后的性能變差。這些電極的孔隙率一般為60%~70%。高孔隙率可以擴(kuò)大硅基數(shù)據(jù)的體積，緩沖顆粒的急劇變形，減緩粉化和下降。然而，高孔隙率硅基負(fù)極限制了體積能量密度。

硅基陰極是提高鋰離子電池能量密度最有效的方法之一，因?yàn)樗哂懈叩谋热萘亢腕w積比容量。

然而，作為一種活性材料，硅在充放電循環(huán)中插入并釋放鋰，體積變化高達(dá)270%，導(dǎo)致循環(huán)壽命較差。這種體積腫脹的原因:

(1)硅顆粒的破壞和銅收集液中鍍層的分離;

(2)固體電解質(zhì)(SEI)膜在循環(huán)過(guò)程中不穩(wěn)定，體積膨脹導(dǎo)致SEI斷裂重復(fù)，導(dǎo)致鋰離子電池失效。

壓實(shí)過(guò)程將使固體接觸更加嚴(yán)密，改善電桿的電子傳輸功能。但是，低孔隙率會(huì)新增鋰離子轉(zhuǎn)移電阻和電極/電解質(zhì)界面電荷轉(zhuǎn)移阻抗，導(dǎo)致倍增器功能差。

石墨電極的優(yōu)化孔隙率一般控制在20%~40%，而硅基電極壓實(shí)后的性能變差。這些電極的孔隙率一般為60%~70%。高孔隙率可以擴(kuò)大硅基數(shù)據(jù)的體積，緩沖顆粒的急劇變形，減緩粉化和下降。然而，高孔隙率硅基負(fù)極限制了體積能量密度。那么，如何制備鋰離子電池的硅基陰極板呢?KarkarZ等人研究了硅電極的制備。

首先，他們用兩種混合方法制備了80wt%的硅、12wt%的石墨烯和8wt%的CMC電極糊:

(1)SM:常規(guī)球磨松弛技術(shù);

(2)RAM:兩步超聲彌散工藝。第一步將硅和CMC分散在PH3緩沖液(0.17m檸檬酸+0.07mKOH)中。第二步是加入石墨烯片和水，繼續(xù)超聲分散。

如圖1a和d,有關(guān)石墨片、超聲石墨烯的不連貫的RAM堅(jiān)持原來(lái)的跟蹤表,表的長(zhǎng)度大于10×m,分布式并行收集液,孔隙度較高的涂層,而SM混合導(dǎo)致石墨烯片,與石墨烯片的長(zhǎng)度只有幾微米。未壓實(shí)的RAM電極的孔隙率約為72%，大于SM電極的60%。

關(guān)于硅，兩種混合方法沒(méi)有差別。納米片石墨烯具有優(yōu)異的電子傳導(dǎo)能力，RAMslack堅(jiān)持石墨烯片的完整性，電池循環(huán)功能良好(圖3a和圖b)。

然后他們研究了壓實(shí)對(duì)電極孔隙率、密度和電化學(xué)功能的影響。如圖1所示，壓實(shí)后，石墨烯片和硅示蹤劑沒(méi)有發(fā)生明顯變化，只是涂層變得更加致密。將電極片制成半電池，測(cè)試其電化學(xué)性能。從圖2可以看出:

(1)隨著壓實(shí)壓力的新增，電極孔隙率降低，密度新增，體積比容量新增。

(2)未壓實(shí)的電極片，RAM的孔隙率約為72%，大于SM電極的60%。此外，RAM電極壓實(shí)更加困難，達(dá)到35%的孔隙率。RAM電極要15T/cm2壓力，SM電極只要5T/cm2壓力。這是因?yàn)槭┢y以變形，而RAM片附著在石墨烯片結(jié)構(gòu)上，使其更難以壓實(shí)。

(3)根據(jù)完全鋰硅體積膨脹193%計(jì)算體積比容量。在20T/cm2密實(shí)度下，體積比容量最大。RAM和SM電極的孔隙率分別為34%和27%，對(duì)應(yīng)的體積比容量分別為1300mAh/cm3和1400mah/cm3。