开发出“高容量、长寿命”硅负极材料…“有望提升锂离子电池性能”

by Jeong Ilwoong

Published 27 May.2024 15:23(KST)

一种能够在高容量和长寿命的同时提升锂离子电池能量密度的硅基负极材料已经被开发出来。

电池材料分为正极材料、负极材料、隔膜和电解质四大类。作为电池材料之一的负极材料，在充电过程中发生还原反应储存锂，在放电过程中通过氧化反应释放锂。其中，硅基负极材料因有望克服并取代现有石墨基负极材料的局限而备受关注。

基于硅的中等熵和高熵合金的结构与电化学性能比较，以及高熵合金在锂离子存储过程中结构变化的示意图。韩国研究财团提供

韩国研究财团27日表示，Sungkyunkwan University教授 Park Hoseok 研究团队成功开发出一种基于硅的高熵合金材料，用于制造具有高容量和长寿命的锂离子电池负极材料。

高熵合金不同于在主元素中加入辅元素的一般合金，而是在没有主元素的前提下，将多种元素以5%以上（相对均等的比例）进行混合，使混合熵达到1.5R以上的一类材料。通过合金组合，可以实现多种物性，具有独特且优越的特性。

近年来，随着电动汽车市场的增长，电池技术竞争愈发激烈。在此背景下，为了克服负极材料石墨容量的极限（理论容量372mAh/g），以高容量硅（理论容量4200mAh/g）进行替代的研究也在积极推进。

但迄今为止，硅材料在多次充放电循环过程中会发生体积膨胀，加之其电导率较低，长期使用时稳定性下降的问题日益凸显。

研究团队为解决上述问题，开发出由多种成分元素构成的硅基高熵合金材料，赋予其单一材料难以实现的物性，从而成功抑制了硅性能的劣化。

尤其是研究团队采用高能球磨（ball milling）合成方法，在最大限度简化合成工艺的同时，引入了高容量的硅（Si）、高反应性的磷（P）、具有快速锂离子传导性的锗（Ge）、具备自我修复能力的液态金属镓（Ga）等优点，开发出了GaGeSiP3材料。

球磨是由金属圆筒和研磨球构成的装置，当圆筒旋转时，研磨球与材料在摩擦和离心力作用下，将材料粉碎或混合成微细粉末。

利用该工艺开发的GaGeSiP3材料，即便在高电流密度下也表现出949mAh/g的高倍率容量（在提高充放电速度时，容量保持率提升或下降的特性），并且在经历2000次充放电循环后，仍能保持1121mAh/g的高容量。

Park Hoseok 教授表示：“本研究提出了解决提高锂离子电池能量密度所需关键材料——硅——问题的方案，并首次在高反应性磷（P）原子体系中实现了高熵合金材料，具有重要意义。”

此外，研究团队在科学技术信息通信部和韩国研究财团推进的“领军研究项目”资助下开展了相关研究。研究成果已发表于能源领域国际学术期刊《Energy & Environmental Science》4月16日刊。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。