高分辨率界面光谱电化学研究采用原位拉曼光谱，说明铜涂层在氢化非晶硅上的作用。

    有一篇论文发表在美国化学学会(ACS)3月8日的《材料化学》(Chemistry of Materials)杂志上，题为《铜涂层非晶硅粒子用作锂离子电池负极材料》(Copper-Coated Amorphous Silicon Particles as an Anode Material for Lithium-Ion Batteries)，他们报告说，氢化非晶硅微粒上的铜涂层的作用是，(1)增强电荷转移应力，降低电荷转移电阻;(2)实现高度可逆的更高的电荷储存容量;(3)更好地耐受循环中的体积膨胀和收缩过程。

    他们已经探索过不同的方法，用于解决体积膨胀和收缩的问题，这一问题产生于硅阳极的锂化(lithiation)和脱锂(delithiation)。有一种方法是使用纳米结构材料，如纳米晶体，纳米线，纳米管或纳米棒，等等，不幸的是，在生产这些材料时，很难实现合理的成本，也难以达到所需的大宗数量，以进行实际应用。此外，缩小硅的尺寸以及尺寸的差异性，还不足以有效地抑制具体的体积变化，或减少粒子之间的聚集。

    还有一种方法也可以提高硅的稳定性，就是与其他韧性材料形成合金，用于减轻体积膨胀，或使用纳米尺寸的材料，均匀分散在缓冲矩阵(buffer matri)中。融入缓冲材料是有利的，因为它们会减轻体积膨胀，也会减少循环过程中的断裂。通常情况下，碳材料已用作一种缓冲材料，用于不同的结构配置。然而，在上述所有的方法中，应该注意，很好理解的是，离子和电子电荷转移动力学如何受到影响，也就是受硅纳米结构缓冲剂的影响，也很好理解，可逆性容量的大量损失究竟是因为硅材料本身，还是因为缓冲矩阵，这些矩阵使活性物质结合在一起。

    晶体硅的电化学锂化和脱锂会导致非晶化，但只是在几个周期中是这样，一些研究探讨使用非晶硅，用于锂离子电池，因为使用晶体硅没有优势。非晶硅有其他的潜在优势，胜过晶硅，因为它可预测的体积膨胀更小，锂离子扩散长度更短，电荷转移电阻也更小。纳米非晶硅可更好地耐受体积膨胀和收缩过程。

    长期稳定的放电容量比：(A)铜涂层氢化非晶硅;(B)原始氢化非晶硅;中间红线表示石墨的理论存储容量。

    研究人员制备他们的电极，需要创造氢化非晶硅粒子浆料，或铜涂层的氢化非晶硅，用作活性物质，超级P炭黑用作电子导体，聚偏二氟乙烯(PVDF：Polyvinylidene Fluoride)溶解在甲基吡咯烷酮(NMP)中，作为粘结剂，需要采用70:20:10的重量比。100%的非晶硅碳电极，制备要采用90:10比例的活性物质和聚偏二氟乙烯，分别溶解在甲基吡咯烷酮中，作为粘结剂。

    这样制成的电极可用于纽扣电池(2032型)，使用锂金属作为反电极，1立方米氟磷酸锂 (LiPF6)溶解在碳酸乙烯酯(EC：ethylene carbonate)和碳酸二乙酯(DEC：diethyl carbonate)中，采用1:1的体积比，作为电解液。研究小组测试了不同尺寸的氢化非晶硅颗粒，进行电化学嵌锂。

    他们发现，氢化非晶硅最小颗粒(直径380纳米)的测试表明，首次循环中有相对较高的容量，就是580 mAh g-1，第二次循环中显著下降到165 mAh g-1，然后，第三次循环，进一步降低到40 mAh g-1，电流速度是100 mA g-1。不同尺度颗粒的容量相差10到20 mAh g-1，所以，对于尺度大小没有明显的依赖。平均容量局限于大约50 mAh g-1。研究小组指出，这一存储容量相当低，相比之下，晶体硅的最大存储容量是3579 mAh g-1。

    相比之下，铜涂层的氢化非晶硅颗粒呈现出的具体电荷存储容量，是600 mAh g-1，负载为100 mAh g-1，比原始氢化非晶硅提高了近7倍，也高于石墨阳极的理论容量(372 mAh g-1)。铜涂层颗粒不会降低容量，也不退化，可进行连续循环，而且，循环数增加时，它们表现的电荷存储容量也会增加。

    铜涂层的氢化非晶硅粒子会显著提高锂的存储容量，比原始氢化非晶硅粒子提高7倍。铜的存在有助于抑制溶剂分解，加强锂化和脱锂过程，这一过程发生在氢化非晶硅粒子中，也会加强铜涂层在这些过程中的作用。这种化学方法就是把铜涂在氢化非晶硅粒子上，具有巨大潜力，可以开发先进的负极材料，用于锂离子电池。

    胶状培育的氢化非晶硅粒子，可用作锂离子电池阳极，具有比石墨高得多的能量密度。他们发现，可以显著提高电池的循环性能，增强锂存储容量(7倍)，只需要把铜沉积在氢化非晶硅粒子上，这要使用多元醇还原法。优越的性能源自铜涂层形成的电子导电网络。高分辨率界面光谱电化学研究采用原位拉曼光谱(Raman spectroscopy)，说明铜涂层在氢化非晶硅上的作用，他们进行了深入研究，可以使较低的库仑效率(Coulombic efficiency)得到提高，也可避免锂离子电池硅基阳在极循环中的容量衰退。

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本文由日本NEC锂电池中国营销中心于2023-06-28 14:11:44 整理发布。
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