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[材料资讯] 魏飞课题组发文报道可长循环的硅基负极材料

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发表于 2019-7-12 08:55:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

清华大学化工系魏飞教授课题组在知名期刊《纳米快报》(Nano Letters)上在线发表“碳化硅作为抑制化学反应的保护层增强硅基负极稳定性”(Silicon Carbide as a Protective Layer to Stabilize Si-Based Anodes by Inhibiting Chemical Reactions )的研究文章,标志课题组在锂离子电池硅基负极材料的研究领域取得重要进展。

自锂离子电池商用化以来,人们一直在致力于提高其能量密度。Si基材料由于其具有高的比容量(4200 mAh/g),成为最具有潜力的能够取代商用石墨负极(372 mAh/g)的材料。但是Si基材料在充放电过程中存在巨大的体积膨胀及粉化问题,导致其循环稳定性差,阻碍了其实际应用。经过20多年的研究,研究者们从材料结构、纳米化、合金化改进,碳包覆等角度进行调控,已经能够部分解决硅基材料的问题,如特斯拉Model 3电动车中锂电池已商用化加入约10%的Si基负极。但其循环性能差的问题依然突出。

硅基负极材料

硅基负极材料

本研究发现,在目前的硅负极电池体系下,不仅有硅的体积膨胀与粉化问题,而且Si会与电解液中的氟发生化学反应形成氟硅酸锂结晶体,不断消耗电池体系里有限的Li源、Si源和电解液,进而会导致电池失效。包覆的纳米碳层并不能阻止氟与硅的接触,反而是个促进这一反应的催化剂,成倍地降低了反应的活化能并成百倍地加速这一反应进程。

为了抑制这一副反应的发生,在Si表面包覆一层致密的纳米级厚度碳化硅陶瓷层,阻止氟化物的渗入并稳定硅负极的体积膨胀以达到抑制副反应、稳定SEI层的目的。包覆SiC陶瓷层后,副反应的活化能变为原来的三倍,对应的室温下的反应速率降为原来的1/300。通过在实际的电池体系下进行电化学性能测试,包覆SiC后的材料循环稳定性得到大幅度提高。上述成果可望为Si基负极材料的稳定性研究提供一种新的解决思路,推进硅基负极材料的商用化。

清华大学化工系魏飞教授是该文的通讯作者,博士生于春辉和博士后陈晓为共同第一作者,清华大学化工系助理教授张如范、博士生肖哲熙、博士后林贤清、博士后张晨曦等参加了该项工作。该研究得到了国家自然科学基金重点研发项目资助。

魏飞教授团队长期致力于锂离子电池导电剂的研发,利用流化床技术制备出的阵列碳纳米管已经批量应用于商用锂离子电池中,并形成万吨级碳纳米管锂离子电池导电浆料产业化技术。本项目成果是该团队在电池材料方面的又一项新进展。

论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b01492

魏飞,博士。现任清华大学化工系教授、博士生导师,北京市“绿色化学反应工程和技术”重点实验室主任,清华大学长江学者特聘教授。研究领域包括多相流和多相流反应堆。魏教授赢得过很多荣誉和奖励,如国家杰出青年科学奖(1996 ),中国青年特殊贡献奖(1997 ),1999 年被国家教育部授予“杰出科学家”荣誉称号。有超过 200 篇著作和论文出版。

张如范,清华大学化工系教研系列助理教授、特别研究员、博士生导师。中组部青年千人、中国颗粒学会青年理事、中国化学会会员、中国化工学会专业会员。主持国家自然科学基金面上项目1项,参与科技部973、863等重大项目多项。获《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”(2018)、中国化学会青年化学奖(2018)、中国新锐科技人物(2018)、教育部自然科学一等奖(2016)、瑞士乔诺法(Chorafas)青年研究奖(2015)、教育部博士研究生学术新人奖(2012)等奖励。2005-2009年本科就读于中国石油大学(北京)化工学院,2009-2014年博士就读于清华大学化工系(导师:魏飞教授、张莹莹教授),2014-2017年在斯坦福大学材料系从事博士后研究(合作导师:Prof. Yi Cui),2018年加入清华大学化工系。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究,取得多项突破性科研成果,曾制备出世界最长(单根长度55 cm)的碳纳米管、实现单根碳纳米管光学可视化及宏观尺度可控操纵、首次发现厘米级长度碳纳米管管壁间超润滑现象、制备出80GPa超强碳纳米管管束、开发出耐高温高效空气过滤材料等。上述成果曾多次被CCTV新闻联播、人民日报、科技日报、北京日报、Nanowerk、Physics Today、Physics World、NPG Asia Materials、Green Car Congress等国内外主流媒体报道。在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Chemical Society Reviews等国际顶级期刊发表SCI论文40余篇;以第一或通讯作者身份在Nature Nanotechnology(2篇)、Nature Communications、Advanced Materials(2篇)、Nano Letters (3篇)、Chemical Society Reviews、Accounts of Chemical Research、ACS Nano、Carbon、Nanoscale和Nano Research等期刊发表论文15篇;获授权发明专利6项;独立及参与撰写学术专著5部。


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