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最新Nature子刊:含硅負(fù)極和嵌入型正極的高能鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化

最新Nature子刊:含硅負(fù)極和嵌入型正極的高能鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化
利用硅(Si)、硅基(Si-B)和硅衍生物(Si-D)負(fù)極與高容量/高電壓嵌入型正極(IC)相結(jié)合的可充電鋰基電池技術(shù)引起了廣泛關(guān)注。這源于它們實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的能量密度,為電動汽車和可再生能源提供了新途徑。然而,這種高能系統(tǒng)受到其復(fù)雜化學(xué)和內(nèi)在缺點(diǎn)的限制。
最新Nature子刊:含硅負(fù)極和嵌入型正極的高能鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化
圖1. 多年來鋰離子電池的發(fā)展概況
在此,德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院Stefano Passerini教授及亞琛工業(yè)大學(xué)Egbert Figgemeier等人對由Si/Si-B/Si-D負(fù)極與IC正極材料制成的可充電電池進(jìn)行了深入剖析。
作者首先提供了對電極材料的詳細(xì)分析,確立了電池級性能與原子/材料級屬性之間的相關(guān)性,總結(jié)了Si/Si-B/Si-D||IC電池面臨的挑戰(zhàn):為了將該技術(shù)商業(yè)化,Si/Si-B/Si-D負(fù)極會遭受非常大的體積變化,IC正極主要受其化學(xué)/電化學(xué)不穩(wěn)定性(如陽離子置換、過渡金屬離子的溶解、活性氧釋放等)影響。
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圖2. 電池級性能與原子/材料級特性之間的相關(guān)性
在器件方面,作者指出產(chǎn)業(yè)化時應(yīng)考慮各種標(biāo)準(zhǔn)以充分評估電池的性能,即能量效率、使用壽命(循環(huán)/日歷壽命)、能量密度、倍率性能、穩(wěn)定性、安全性和成本等,并以此為目標(biāo)給出了緩解策略(包括庫倫效率和能量效率方面、電解液設(shè)計、預(yù)鋰化、聚合物粘結(jié)劑的設(shè)計、Si負(fù)極顆粒和合金工程等)。最后提出了當(dāng)前電池發(fā)展的前景、對未來研究方向的洞察以及推進(jìn)Si/Si-B/Si-D||IC電池發(fā)展的指導(dǎo)方針。
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圖3. Si/Si-B/Si-D||IC電池的挑戰(zhàn)和解決方案
Production of high-energy Li-ion batteries comprising silicon-containing anodes and insertion-type cathodes, Nature Communications 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-25334-8

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