近日，加拿大滑铁卢大学应用纳米材料与清洁能源实验室陈忠伟教授的科研团队协同WATTECH POWER INC.（加拿大滑铁卢大学科技公司）成功开发了一种石墨烯硅基锂离子电池技术，这项技术采用55%以上的硅材料作为负极活性材料，硫掺杂的石墨烯以及聚丙烯腈作为辅助，通过简单的高温处理，实现电极微观结构的构筑成型，其内部各材料间的相互协同效应解决了硅材料的体积膨胀，电导率低等问题，所测试的电化学性能与目前商业化电池相比，比容量提高了6-7倍，循环寿命达到2200次以上。
日前，此项研究成果已经在顶级科学期刊《自然通讯》上发表。在文中，对硅基电极微观结构的构筑成型以及其内部的协同效应如何发挥作用，作了详细地阐释。
由硅纳米颗粒、硫掺杂的石墨烯以及聚丙烯腈混合材料涂覆后的负极极片经高温处理后，硅会与周围硫化石墨烯中的硫以共价键的相互作用被相对固定到一个位置，而聚丙烯腈将会进行环化反应形成一个含氮的稳定六圆环结构的石墨化碳。如此，通过热处理，一个稳定的原子尺度的结构构筑成型；其中，一方面，硅通过共价作用被以石墨烯纳米片层所组成的支架所保护，另一方面，石墨化的聚丙烯腈形成的网络结构，进一步加强了对硅稳定的防护。同时，由于有石墨烯和石墨化碳的存在，这种稳定的三维结构体也显示绝佳的导电性。以上结构的形成，在论文中结合一系列的实验表征手段得到了详细地论证，例如，用密度泛函计算了硅与硫化石墨烯的结合力；用x射线光电子能谱确认了结构体的元素分布和组成等。
正是由于这种电极微观结构的构筑成型，使得电极在充放电过程中硅的体积膨胀能够被固定到一定的空间范围之内，电极结构不会被破坏，确保了电极能够到达2000次的循环寿命；另外，此结构体高的电子和锂离子传导性也保证了硅材料容量的正常发挥，即在0.1A g-1电流循环100次，整体电极的平均容量达到2750mAh/g-1；在更高倍率2 A g-1循环2275次，容量依然能够保持在1000mAh/g-1以上。
此项技术对电极使用了简单的热处理，这一创新解决了长久以来困扰锂电材料领域的由于硅材料体积胀缩导致其无法应用的全球性技术难题，因此此项技术一经推出，便获得2015年度RD100提名大奖，获得业界人士认可，拥有高能量长寿命的真正的硅基锂离子电池指日可待。可喜的是，这次重大的科学突破工艺操作上简单易行，而且在成本上，由于硅高比容量，是目前商业化石墨电极实际比容量的3-7倍，据此，相同容量的硅基锂离子电池中硅的用量约是传统锂离子电池中石墨用量的1/7-1/3，而且随着太阳能电池产业的发展，硅材料产能水平的提升，这使得整体硅基电池的成本与目前商业化锂离子电池基本持平甚至还要低于。
根据现行研发进度，此硅基锂离子电池能够满足商业化的能量型锂离子电池的需求，如消费类电子产品手机笔记本以及可穿戴电子设备等。此类产品要求电池具有高的能量密度，和较稳定的循环寿命。另外，根据目前测试，更高倍率的充放电，如2C，将不会对硅基材料以及整个电极的结构造成破坏。这样，此硅基锂离子电池在要求高倍率充放电的领域（如电动汽车，电动工具等）的应用也即将实现。
目前，陈忠伟教授与WATTECH POWER INC.（滑铁卢大学科技公司）共同携手开发此技术，即将进入中试阶段，据其保守估计，此硅基锂离子电池将于2016年下半年进入市场。
作者：中国电池网 梁小婧
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