清华大学在提升锂离子电池负极材料性能上取得进展

来源：储能科学与技术  

技术领域：锂离子电池负极材料

开发单位：清华大学化学工程系 魏飞

技术突破：通过两步过程提出了一种双壳涂层结构复合材料，800次循环后，化合物的初始放电容量为1624.7mAhg-1，首次库仑效率为81.2%，容量保持率为89.5%，在10g-1时可逆容量为949.7mAhg-1。

文章名称：Zhexi Xiao, Fei Wei, et al.TiO2 as a multifunction coating layer to enhance the electrochemical performance of SiOx@TiO2@C composite as anode material. Nano Energy, 2020, 77, 105082.

应用价值：本研究为锂离子电池表面涂层和高性能负极材料的研制提供新的技术思路。

发展高性能电极材料用以满足下一代锂离子电池对于高能量密度方面的需求，已经成为了世界范围内的焦点问题。硅因其最高的理论容量及较合适的工作电压被认为是最有潜力的一类负极材料。然而，显著的体积膨胀、与电解液发生严重的副反应极大阻碍了硅负极的商业化进程。一氧化硅作为硅负极的改进材料，与硅相比化学性质大幅度改善，并具有更低的体积膨胀率，成为了替代硅负极的优选材料。然而，SiOx材料在实际应用中主要有两个关键问题需要解决。一是体积膨胀不可忽视，导致电接触变差及颗粒粉化。另一方面是电极与电解液界面在工作电压下的非电化学稳定性，会导致固体电解质膜的不可控生长，造成的高电子离子传输阻力显著影响循环及倍率性能。表面涂层是解决上述关键问题的最普遍的策略。

图1 SiOx@TiO2@C复合物的制备及循环特性

清华大学魏飞教授团队通过两步过程提出了一种双壳涂层结构复合材料(表示为SiOx@TiO2@C)。通过引入高质量的锐钛酶相TiO2层，实现了界面高度稳定，降低了复合材料对电子和离子扩散的抵抗力。800次循环后，初始放电容量为1624.7mAhg-1，首次库仑效率(ICE)为81.2%，容量保持率为89.5%，在10g-1时可逆容量为949.7mAhg-1。全尺寸电池组的初始区域容量为2.6mAhcm-2，ICE高于90%。能量势垒高约1.5倍，说明TiO2层对副反应有阻断作用。累积焓降低近4倍，说明锐钛酶相TiO2层对热稳定性有积极作用。

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