华中科技大学探讨锂离子电池硅基微粒负极的发展前景

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硅是有前景的负极材料，可用于高能锂离子电池。然而，由于一系列挑战，硅基负极的广泛应用受到阻碍。据外媒报道，华中科技大学的研究团队发表了一篇综述文章，总结硅基负极面临的挑战，概述目前的硅基负极工程设计策略，并展望这种负极材料的发展前景。

该校材料科学与工程学院的胡先罗教授表示：“研究人员希望，从产业化的角度总结使用商用硅微粒制备的硅基电极的发展，如原料、制备工艺、产量和环境友好性等，为微尺度硅基负极的实际应用提供一些有价值的指导方针。”

作为下一代锂离子电池的负极候选材料，硅具有强大的潜力，但仍需克服几个挑战。首先，该团队注意到，纳米技术可使电极保持结构稳定和长期循环，但无法满足产业应用的要求。这是因为其振实密度低，副反应严重，而且体积容量低，生产过程复杂，产量低。

其次，该团队指出，采用微尺度硅基负极设计，可明显提高电极的整体性能。但是，在生产过程中，由于制造步骤比较复杂，不仅能耗高、污染重，而且产量低。

此外，该团队注意到，很多微尺度硅材料还在使用纳米颗粒作为原材料，但这些颗粒并不适合规模化生产。因此，研究人员一直在寻求简单而环保的方法，以实现低成本制造硅基材料，用于锂离子电池。

考虑到硅基负极未来的商业化前景，研究人员指出，使用上述低等级硅基材料作为硅源时，关键在于保持电极结构的完整性，以确保稳定的循环性能。很多研究将关注点放在将多孔硅微粒与混合复合材料结合起来，很少关注对所设计的微尺度硅进行失效机制分析。

该团队指出，在电池电极内，通过粘合剂材料将活性材料颗粒结合在一起，对于保持结构完整性至关重要。研究人员建议，开发一种具有自愈性和导电性的多功能聚合物粘合剂，将有助于提高电极的机械强度和建立扩展导电网络。天然衍生聚合物具有良好的结构优势，在这方面应该可以发挥更大的作用。

胡教授表示：“硅是很有潜力的负极材料，可用于高密度锂离子电池。从简单、可扩展、安全和可持续的技术角度，构建高度稳定的硅微粒电极，具有挑战性和重要意义。”

展望未来，该团队认为，基于多尺度、多物理场的微尺度硅失效机制分析尚缺乏。研究人员需要开发现场分析技术，以阐明设计策略和电极性能之间的关系。例如，需要深入了解孔分布对应力扩散的影响、活性颗粒结构的演变，以及表面化学和电场分布对碳改性的依赖关系。研究人员提出，开发简单、环保、高效、可控、节能的合成技术，是满足产业化生产要求的关键。

胡教授表示：“希望通过一条简单而环保的途径，进行电极材料设计、电解质优化和粘结剂创新，以实现低成本硅基材料在全电池（full cell）中的应用。”