下一代鋰電池負極材料：硅負極

    鋰電世界  提起硅負極你想到的是什么呢？大容量、高體積膨脹？硅負極作為新一代的鋰離子電池負極材料，其容量最高可達4200mAh/g，是石墨負極材料的10倍以上，是最具希望的下一代鋰離子電池負極材料。

    在這耀眼的光環下，硅負極也存在著難以克服的缺點，這主要源于硅負極在嵌鋰過程中嚴重的體積膨脹，在完全嵌鋰狀態下，硅負極的體積膨脹可達300%，這會造成材料顆粒的粉化和脫落，嚴重影響其電化學性能。人們竭力減少硅負極材料的體積膨脹，例如納米顆粒、薄膜電極、碳包覆處理等方法，都是人們為克服硅負極膨脹所做出的努力。體積膨脹對于鋰離子電池是一個壞消息，但是讓我們換個角度考慮一下，硅負極巨大的體積膨脹是不是還有一些特使的用途呢？

    清華大學的Jialiang Lang等人就利用了硅負極在充放電過程中的體積膨脹開發了一款“微型起重機”。該“微型起重機”實際上是一個軟包鋰離子電池，其正極采用了體積變化很小的LiFePO4材料，而負極使用了硅負極材料，電池容量為2.1Ah。并利用該電池進行了“舉水實驗”，在實驗中該電池通過充電“舉起”了637.5g的水，在完全充電狀態下電池膨脹所產生的壓強達到了25.8KPa，在后續的循環過程中產生了平均21KPa的壓力。后續的研究表明，該電池能夠產生的最高壓力可達17MPa。在整個充放電電壓平臺期間，該電池可以持續產生10MPa以上的壓力。在該過程中，充電產生的能量分為3部分，一部分轉化為機械能，一部分轉換為化學能儲存在電池中，一部分則轉化為熱能耗散了。

    當然對于一款意在將電能轉換為機械能的設備，快速的響應的能力自然是十分重要的，Jialiang Lang對電池在快速充放電模式下，體積膨脹的響應速度進行了研究。研究表明電池膨脹對脈沖電流有著很好的響應速度。并且膨脹距離與充電時間基本呈現線性關系，在2A/g的電流密度下，膨脹速度為1.6nm/s，因此該方案可以用于納米精度的定位。電池的膨脹速度主要與硅負極的面密度、電池厚度和電流密度相關，因此在電池定型的前提下，我們可以通過控制電流的方式來控制電池的膨脹速度，從而達到我們所需要的控制精度。在該研究中，Si負極的容量發揮僅為800mAh/g，因此該“微型起重機”還有很大的提升空間。該“微型起重器”能夠精確的產生納米尺度的位移，并能承受巨大的負載，因此可以應用在一些需要在納米級高精度定位的領域，例如操作掃描隧道顯微鏡的探針等。反其道而行之，往往能取得不錯的效果。