据高工锂电网2015年9月1日讯 目前商业化锂离子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)，严重限制了未来锂离子电池的发展，所以研发下一代锂离子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与市场上的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，与市场上销售的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。

　同时，硅薄膜材料电池容量的下降与电流密度的上升是呈线性关系的，说明锂在两极间的扩散性能良好。
　　且在不同倍率下，硅薄膜材料充放电电压平台也表现出良好的性能，在0.2C和1C时，充放电平台分别为3.7V和3.5V；在5C时充放电平台分别为3.7V和3.4V。当电流密度增加至10C，充放电平台出现在3.8V和3.3V附近。而当电流密度达到20C时，电压平台在3.8V和3.2V；至30C时充放电平台分别为3.9V和3.0V。这个结果说明硅薄膜材料作为倍率型锂离子电池的阳极，以钴酸锂材料为阴极的电池具有良好的市场前景。
　　下一代锂电材料
　　从HRTEM图和SAED图中可以发现，此薄膜材料在循环前后都是以无定形状态存在，说明材料在循环后会回复为无定形状态。因此我们相信无定形态是提高材料循环寿命的关键因素之一，这有利于提高全电池的使用寿命。
　　同时，以物理溅射方法使硅薄膜成功附着在表面粗糙的铜箔上，并且和LiCoO2材料组成的电池在0.2C(0.1mA/cm2)电流密度2.5～3.9V下，80周循环后达到最大放电容量0.55mAh/cm2(1160mAh/g)。300次循环后容量还保持在0.54mAh/cm2(1139mAh/g)，几乎没有容量衰减。
　　虽然，随着电流密度的提高，硅薄膜材料电池的嵌锂脱嵌容量呈线性降低，但在各电流密度下电池循环容量都没有发现衰减现象。且在30C高电流密度下脱锂容量还保持有0.2C时的25%左右，所以我们有理由相信硅薄膜材料作为下一代锂离子电池材料具有良好的应用前景。

                                                      来源：《新能源汽车报》