電鏡應(yīng)用|Apreo 2表征鋰電池硅基負(fù)極材料

2024-10-25

技術(shù)文章

為了提高鋰電池的能量密度，市場(chǎng)急需容量高、成本低廉、可規(guī)模化生產(chǎn)的新型材料。與插層類石墨負(fù)極材料相比，Si、Ge、Al、Sb等合金類負(fù)極材料具有更高的儲(chǔ)鋰容量。

硅基負(fù)極材料

硅基負(fù)極材料的比容量最高，可高達(dá)3500 mAh/g，是石墨容量的10倍。開發(fā)硅基負(fù)極材料的另一個(gè)原因是Si是地殼中第二大儲(chǔ)量的元素（質(zhì)量比占28%），表明其具有低成本大量生產(chǎn)的潛力。但是硅基負(fù)極材料在鋰的嵌入/脫出過程中體積膨脹（Si的膨脹率甚至達(dá)到300%）而導(dǎo)致顆粒粉化，導(dǎo)致電極失效；而且由于Li嵌入/脫出的電化學(xué)電位較低(<0.5 V vs Li+/Li)，有機(jī)電解質(zhì)在負(fù)極顆粒表面發(fā)生還原分解，形成SEI膜。

SEI膜會(huì)因?yàn)檠h(huán)過程中發(fā)生的體積變化而破裂，暴露出新鮮的電極材料，繼續(xù)與有機(jī)電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而不斷消耗電解質(zhì)。為了緩解這些問題，有些研究人員通過改善工藝將硅顆粒的尺度縮小到亞微米級(jí)別來提高循環(huán)性能，比如通過CVD方法制備納米結(jié)構(gòu)硅顆粒。也有些研究人員在硅顆粒表面包覆無定形的碳，以提高其化學(xué)穩(wěn)定性。也就說我們可以通過微觀結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)來改善材料的性能，賽默飛超高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡Apreo 2便是我們了解材料微觀結(jié)構(gòu)的一大助手。

Apreo 2配備了YAG（釔鋁石榴石）材質(zhì)的超高靈敏度背散射探測(cè)器，通過不同元素的背散射電子產(chǎn)額的差異來區(qū)分負(fù)極材料中不同相。如圖1所示，分別為氬離子研磨前后的碳硅負(fù)極顆粒，白色較亮區(qū)域?yàn)?span style="letter-spacing: 0.034em;">SiO₂顆粒，較灰色的為SiO_x顆粒，較黑色的為碳顆粒，根據(jù)不同顆粒的元素組成差異而獲取不同的背散射襯度，從而輕松區(qū)分不同相的分布情況以及顆粒的尺寸信息。

硅納米顆粒通過合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可提高SEI膜穩(wěn)定性。比如在Si顆粒外包覆一層無定形碳，如圖2所示，碳層具有良好的電子導(dǎo)電和離子導(dǎo)電性，也可限制硅顆粒向外膨脹，同時(shí)避免電解液與內(nèi)層Si直接接觸，顯著提高SEI膜穩(wěn)定性。

賽默飛場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡Apreo 2

參考資料：

1、A Yolk-Shell Design for Stabilized and Scalable Li-Ion Battery Alloy Anodes，Nano Lett，2012，12,3315-3321.

2、Challenges and Recent Progress in the Development of Si Anodes for Lithium-Ion Battery，Adv. Energy Mater.，2017，1700715.

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