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最新Nature子刊：含硅負(fù)極和嵌入型正極的高能鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化

利用硅（Si）、硅基（Si-B）和硅衍生物（Si-D）負(fù)極與高容量/高電壓嵌入型正極（IC）相結(jié)合的可充電鋰基電池技術(shù)引起了廣泛關(guān)注。這源于它們實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的能量密度，為電動(dòng)汽車和可再生能源提供了新途徑。然而，這種高能系統(tǒng)受到其復(fù)雜化學(xué)和內(nèi)在缺點(diǎn)的限制。

圖1. 多年來鋰離子電池的發(fā)展概況

在此，德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院Stefano Passerini教授及亞琛工業(yè)大學(xué)Egbert Figgemeier等人對(duì)由Si/Si-B/Si-D負(fù)極與IC正極材料制成的可充電電池進(jìn)行了深入剖析。

作者首先提供了對(duì)電極材料的詳細(xì)分析，確立了電池級(jí)性能與原子/材料級(jí)屬性之間的相關(guān)性，總結(jié)了Si/Si-B/Si-D||IC電池面臨的挑戰(zhàn)：為了將該技術(shù)商業(yè)化，Si/Si-B/Si-D負(fù)極會(huì)遭受非常大的體積變化，IC正極主要受其化學(xué)/電化學(xué)不穩(wěn)定性（如陽離子置換、過渡金屬離子的溶解、活性氧釋放等）影響。

圖2. 電池級(jí)性能與原子/材料級(jí)特性之間的相關(guān)性

在器件方面，作者指出產(chǎn)業(yè)化時(shí)應(yīng)考慮各種標(biāo)準(zhǔn)以充分評(píng)估電池的性能，即能量效率、使用壽命（循環(huán)/日歷壽命）、能量密度、倍率性能、穩(wěn)定性、安全性和成本等，并以此為目標(biāo)給出了緩解策略（包括庫(kù)倫效率和能量效率方面、電解液設(shè)計(jì)、預(yù)鋰化、聚合物粘結(jié)劑的設(shè)計(jì)、Si負(fù)極顆粒和合金工程等）。最后提出了當(dāng)前電池發(fā)展的前景、對(duì)未來研究方向的洞察以及推進(jìn)Si/Si-B/Si-D||IC電池發(fā)展的指導(dǎo)方針。

圖3. Si/Si-B/Si-D||IC電池的挑戰(zhàn)和解決方案

Production of high-energy Li-ion batteries comprising silicon-containing anodes and insertion-type cathodes, Nature Communications 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-25334-8

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