锂离子电池还有前进的动力吗还能产生革命性的进步吗？

* 来源: * 作者: admin * 发表时间: 2021-04-19 21:23:49 * 浏览: 4983

2019年，Goodenough老爷子终于获得诺贝尔化学奖，锂离子电池也终于将电池霸主的地位坐稳。时至今日，无论是动力电池、移动电源，还是柔性健康医疗器件，锂离子电池无处不在。

然而，锂离子电池有本征的天花板。当今时代，人们对电池的成本、寿命、安全性都有更高的要求。那么，锂离子电池还有前进的动力吗？我们还能不能基于锂离子电池，产生革命性的进步？

2021年3月30日，国内某手机厂商发布新机，其中一个核心亮点，就在于其采用了超级快充、容量高达5000mAh的硅负极锂离子电池。

在此之前，硅负极技术主要用于新能源汽车新型动力电池开发，而且还未大规模使用，在手机上就更没有人用过了。小米算是垮了个界，不知道这算不算降维打击？但是从汽车领域下行到手机领域，也是一大创举。

今天，我们就来讲一讲硅负极的一些故事，希望对相关领域研究人员有所启发。

电池最关键的一个指标是能量密度，提升这一性能的核心在于正极材料和负极材料，尤其是负极材料。目前锂离子电池主流正极材料是金属氧化物，而主流负极材料是石墨，理论容量为 372 mAh. g-1。

石墨具有优良的导电性，使电子可以很容易传递到电路的金属导线中。但是石墨在放电过程中储存锂离子的能力马马虎虎，需要六个碳原子来结合一个锂离子，这种缺陷限制了电极所承载的锂含量，从而限制了电池所能储存的能量。

在这方面，硅就可以做得更好！每个Si原子都可以和4个锂离子结合，理论上来说，硅基负极材料比石墨负极材料可以存储多10倍的能量，理论容量高达4200mAh/g，这正是电化学家们几十年来苦苦追寻都没有实现的目标。

利用块状的Si来制备负极材料还是很容易的，但是存在很多问题，其中有两个最核心的问题，影响电学传导，并造成容量降低，最终导致电池失效，大大缩短了电池的使用寿命：

1）体积膨胀：充放电过程中体积膨胀高达420%，容易导致颗粒和电机的破裂。

2）SEI膜：充放电过程中发生副反应，形成不稳定、不导电的固体电解质界面SEI膜。

那么，怎么办呢？

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纳米技术改造硅负极的方案

2008年，一个名不见经传的年轻科学家提出了一个全新的解决方案。他带领的团队发明了一种硅纳米线负极，有效减缓了压力和应力作用，彻底击败了体相硅负极材料。当锂离子在硅纳米线中嵌入和脱离时，硅纳米线受到的损伤非常小，经过10次循环，这种负极材料还可以保持其理论储能容量的75%。

虽然还只是一个初步的尝试，但是，这个年轻的科学家已经在无意中开创了电池纳米技术的潮流。在所有人都在通过传统的材料改性来提高负极材料性能的时候，他就致力于将纳米技术和电池电化学紧密结合，开发了一系列新型的电池纳米技术。自此以后，电池纳米技术的研究，成为了电池研究领域的一股旋风。

这个年轻人，他的名字叫崔屹。

崔屹是硅负极技术领域的先锋和代表人物之一。在加州大学伯克利分校做研究的时候，受到劳伦斯伯克利国家实验室主任，诺奖得主Steven Chu的启发，崔屹开始接触之前从没有接触过的电池领域。Chu认为，纳米技术为清洁能源提供了一个崭新，而又重要的旋钮。研究人员不仅可以在最小的尺度上控制材料的化学成分，还可以控制材料内部原子的排列，从而真正明白所发生的化学反应是如何进行的！

经过十多年的深入研究，崔屹向大家展示了他如何利用纳米技术来解决电池化学中长期存在并阻碍科技发展的重难点问题：

1）利用Si取代标准石墨，作为锂离子电池负极材料；

2）利用金属锂作为负极材料；

3）基于Li-S化学的电池，将比任何锂离子电池更强大。

崔屹团队多年来致力于应用纳米技术改善锂离子电池的硅负极性能，根据崔屹教授的讲座，本文简要整理了他们开发的11代硅负极电池纳米技术。（本数据截止2016年，现在过去5年了，应该不止11代了。）

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