AFM综述：硅基锂离子电池系统：半电池和全电池的最新技术

兔兔

2021-06-20

锂离子电池（LIBs）在能量存储设备中一直占据着主导地位。在过去的30年里，硅（Si）基材料由于其高理论容量和低操作电压是石墨作为锂电池负极最有前途的替代品。然而，它们在电池运行过程中大量的体积变化会导致硅基电极的结构崩溃，以及严重的副反应。有鉴于此，澳门大学邵懷宇副教授、洪果助理教授、青岛农业大学王杰教授和南方科技大学Jun Wang等人综述了近十年来硅基半电池和全电池系统取得的巨大进步，包括硅基材料的结构优化、有前景的正极、电解质、粘结剂和隔膜的选择，以及它们在全电池中的兼容性。

本文要点：

1）总结了传统硅基全电池面临的挑战，以及提高锂电池能量密度和寿命的策略。开发了电化学沉积、滚动SLMP或锂金属箔、粉末预锂化、化学自预锂化等预锂化技术，以满足实验室和工业级材料和电池评估的需求。此外，还对硅基材料的锂化及相应的体积变化机制、SEIs的形成和演化机制以及半电池和全电池中硅基电极的失效机制进行了深入的阐明。

2）因此，为促进高能、高安全性、长寿命si基全电池的发展，应采取若干必要的策略。得益于材料合成策略的巨大进展，可以很容易地获得具有高容量和良好结构稳定性的有前景的Si基材料，如夹层Si、SiOx和Si合金材料。采用高容量NCM或高压LNMO正极组装的硅基全电池，取代LFP或LCO正极，具有优越的能量密度，进一步研究的重点是提高其运行安全性和使用寿命。为提高硅基全电池的能量密度和运行安全性，开发了具有发展前景的电解质。有前途的粘结剂应具有良好的自愈合能力或高弹性，从而保持硅基电极的结构完整性，提高其使用寿命。预锂化技术可以有效提高硅基全电池的锂库存，从而保证高能量密度和出色的循环性能。

3）然而，硅基全电池的研究仍处于早期阶段。有几个挑战需要解决，总结如下：（i）与半电池相比，硅基全电池的寿命相对较差；（ii）NCM和LNMO正极组装的高能硅基全电池运行安全性较差，在日常生活中曾多次造成电动汽车自燃事故；（iii）常规电解质的电压上限限制了硅基全电池能量密度的增加；（iv）目前的预锂化技术通常操作复杂、生产环境严格、成本高、锂资源浪费，如果不克服这些挑战，实际应用比较困难。

本研究为开发低成本、高安全性、高循环性能的高能硅基全电池提供了有效途径，为硅基材料和电池的进一步研发提供了指导。

Junpo Guo et al. Silicon-Based Lithium Ion Battery Systems: State-of-the-Art from Half and Full Cell Viewpoint. Adv. Funct. Mater. 2021, 2102546.

DOI: 10.1002/adfm.202102546.

https://doi.org/10.1002/adfm.202102546