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為了提升電池的能量密度，需要從材料和工藝方面進(jìn)行改進(jìn)。硅基材料在嵌鋰過(guò)程中形成LixSi（x=0~4.4）合金的理論比容量為4200mAh/g，遠(yuǎn)大于目前常用的石墨材料的理論比容量372mAh/g，因此硅基材料成為提升電池能量密度的最有潛力的負(fù)極材料。但是由于硅負(fù)極的在脫嵌鋰過(guò)程中的體積膨脹和收縮嚴(yán)重，導(dǎo)致電池的循環(huán)性能差，限制了其在鋰電行業(yè)的廣泛應(yīng)用，如何有效的抑制硅負(fù)極的膨脹成為鋰電行業(yè)亟待攻克的難關(guān)。目前能夠?qū)嶋H使用的硅基負(fù)極大都為硅碳按照一定比例混合的材料，探究不同混合比例對(duì)電池膨脹性能的影響，有助于研發(fā)人員加深對(duì)硅基材料膨脹的理解并做出相應(yīng)的改進(jìn)措施，加快硅基材料的廣泛應(yīng)用。本文對(duì)兩種不同比例混合的硅碳材料（比容量分別為450mAh/g和800mAh/g）制備成的軟包電芯進(jìn)行原位膨脹厚度測(cè)試，對(duì)比分析兩者的膨脹性能的差異。

圖1.硅-石墨復(fù)合電極概述1

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)試方法

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備：原位膨脹分析儀，型號(hào)SWE2110（IEST元能科技），設(shè)備外觀如圖2所示。

圖2. SWE2110設(shè)備外觀圖

1.2測(cè)試流程

1.2.1電芯信息如表1所示。

表1. 測(cè)試電芯信息

1.2.2 充放電流程：25℃ Rest 5min; 0.5C CC to 4.2V, CV to 0.025C; rest 5min; 1C DC to 2.75V。

1.3電芯厚度膨脹測(cè)試：將待測(cè)電放入設(shè)備對(duì)應(yīng)通道，開(kāi)啟MISS軟件，設(shè)置各通道對(duì)應(yīng)電芯編號(hào)和采樣頻率參數(shù)，軟件自動(dòng)讀取電芯厚度、厚度變化量、測(cè)試溫度、電流、電壓、容量等數(shù)據(jù)。

2.原位分析硅碳體系電芯膨脹行為

      圖3為電芯充放電曲線以及厚度膨脹曲線。在充放電過(guò)程中，電芯的厚度先增加后減小，這主要與充放電過(guò)程的脫嵌鋰導(dǎo)致硅碳結(jié)構(gòu)相變有關(guān)，鋰在不斷從正極脫出進(jìn)入負(fù)極結(jié)構(gòu)中時(shí)，與硅形成LixSi合金，與石墨形成LiCx插層化合物，均會(huì)引起負(fù)極的膨脹，可進(jìn)一步結(jié)合微分容量曲線分析硅和石墨膨脹行為。

圖3 電芯充放電曲線以及厚度膨脹曲線

      圖4為電芯的微分容量曲線與厚度膨脹曲線的對(duì)比。從微分容量曲線上來(lái)看，充電和放電過(guò)程均出現(xiàn)三組明顯的脫嵌鋰峰，此電芯的正極均為NCM811，而負(fù)極分別為不同克容量的硅碳材料。對(duì)比兩組電芯的peak2和peak2’峰強(qiáng)基本一致，說(shuō)明該峰位主要是NCM811的相變位點(diǎn)，而peak1和peak3相比，800Si/C的峰強(qiáng)要明顯大于450Si/C，說(shuō)明Si的含量較多時(shí)，形成硅碳合金的反應(yīng)也較多，進(jìn)而充電時(shí)引起厚度膨脹也較多。 

圖4.充放電微分容量曲線與厚度膨脹曲線

3.總結(jié)

本文采用原位膨脹分析儀（SWE）對(duì)不同克容量的硅碳體系電芯進(jìn)行充放電厚度膨脹分析，發(fā)現(xiàn)隨著硅碳負(fù)極克容量的增大，電芯的膨脹厚度也增大，這主要與形成硅碳合金時(shí)硅結(jié)構(gòu)膨脹有關(guān)，研發(fā)人員應(yīng)合理調(diào)控硅碳比例及修飾硅基材料結(jié)構(gòu)來(lái)抑制結(jié)構(gòu)膨脹，從而保證電池?fù)碛辛己玫难h(huán)穩(wěn)定性。 

參考文獻(xiàn)

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