北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的研究人員近日將碳涂工藝與碳納米管網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相結(jié)合，以提高鋰電池中硅陽(yáng)極材料在充放電循環(huán)過(guò)程中的穩(wěn)定性，并在Applied Materials & Interfaces雜志上發(fā)表了論文。論文中，他們提出：碳涂硅納米粒子在碳納米管網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的分散情況，在經(jīng)過(guò)40次充放電循環(huán)后，其儲(chǔ)能量還能保持還有的70%，這一數(shù)字相比不采用碳納米管網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的情況要好得多。
在這種新型架構(gòu)下，碳涂層能夠增強(qiáng)電子導(dǎo)電性并減緩在充放電循環(huán)時(shí)硅粒子的劇烈體積變化所導(dǎo)致的性能衰減現(xiàn)象。碳納米管的分布架構(gòu)能夠從物理層面穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性，最終延長(zhǎng)電池的壽命及性能。
硅作為一種具有開(kāi)發(fā)潛力的鋰電池陽(yáng)極材料具有最高理論儲(chǔ)能量4200毫安時(shí)/克，是目前業(yè)界普遍采用的石墨材料的十倍，石墨的儲(chǔ)能量為372毫安時(shí)/克。然而，在充放電循環(huán)時(shí)，硅粒子的劇烈體積變化會(huì)導(dǎo)致電池的使用壽命下降，從而限制了其性能的發(fā)揮。研究表明，通過(guò)采用Li22Si5合金結(jié)構(gòu)，每個(gè)硅粒子能夠容納4.4個(gè)鋰離子，這意味著其能夠提高鋰電池的容量至400%。
為了解決硅粒子的大體積變化，研究人員采用了硅納米粒子結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在充電循環(huán)時(shí)導(dǎo)致的體積變化較小。為了進(jìn)一步抑制其體積變化，研究人員將納米硅粒子包裹在碳?xì)ぶ?，這種方式不僅提高了電子的導(dǎo)電性，還緩解了硅粒子的體積變化。但是，由于其本身的特性限制以及粘合劑強(qiáng)度不夠?qū)е铝斯枇Ｗ与姌O的穩(wěn)定性依舊不盡如人意。
在電極制造過(guò)程中，類(lèi)似碳涂硅這類(lèi)材料經(jīng)過(guò)聚合物粘結(jié)劑粘結(jié)后首先被加入懸濁液中。在經(jīng)過(guò)干燥后，主體材料粒子與其他粘結(jié)劑相連以形成電極。在重復(fù)的體積膨脹和收縮過(guò)程中，粘結(jié)劑的強(qiáng)度不足以承受硅電極產(chǎn)生的壓力，從而導(dǎo)致電極霧化并使電量流失。
(a)→(b)硅粒子外包裹碳涂層結(jié)構(gòu)在充放電循環(huán)前后的示意圖;(c)→(d)硅電極中加入碳納米管網(wǎng)狀架構(gòu)在充放電循環(huán)前后的示意圖
研究表明，硅電極雖然在初始階段具有非常高的可逆容量，達(dá)到2780毫安時(shí)/克，但是在經(jīng)過(guò)40次充電循環(huán)之后，其儲(chǔ)能量下降到了100毫安時(shí)/克。
而在硅粒子外包裹一層碳涂層后，電極顯示出了相對(duì)較好的穩(wěn)定性，這歸功于硅粒子外部的碳涂層抑制了硅粒子的體積變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：在40次重放電循環(huán)后，其儲(chǔ)能量為原來(lái)的48%。這一數(shù)字依舊不能滿(mǎn)足電極的性能穩(wěn)定性需求。
北卡州立大學(xué)的研究人員認(rèn)為，在碳涂硅電極中加入碳納米管網(wǎng)狀架構(gòu)能夠改善硅電極在充放電循環(huán)中的穩(wěn)定性。
