Развитие беспроводных устройств, электромобилей, технологий 5G и других направлений выдвинуло более высокие требования к производительности аккумуляторов. В настоящее время, с ростом плотности энергии, коммерческие жидкие литий-ионные аккумуляторы имеют более серьезные угрозы безопасности. Поэтому разработка традиционных жидких литий-ионных аккумуляторов столкнулась с узкими местами, и трудно соответствовать требованиям безопасности и плотности энергии новых сценариев применения аккумуляторов. Ожидается, что полностью твердотельные аккумуляторы достигнут высокой безопасности в системах аккумуляторов с высокой плотностью энергии, и поэтому получили широкое внимание.
Технический путь полностью твердотельных аккумуляторов в основном делится на оксидные полностью твердотельные аккумуляторы, сульфидные полностью твердотельные аккумуляторы и полимерные полностью твердотельные аккумуляторы в соответствии с различными материалами электролита. Среди них сульфидные твердые электролиты имеют самую высокую проводимость ионов лития, превосходные механические свойства и широкий диапазон рабочих температур и в настоящее время являются очень практичными полностью твердотельными системами аккумуляторов.
Однако окно электрохимической стабильности сульфидных твердых электролитов относительно узкое; когда сульфидные твердые электролиты сочетаются с металлическим литием, поверхностные побочные реакции становятся серьезными, и возникает проблема роста дендритов лития. Производительность собранных батарей трудно получить конкурентные преимущества по сравнению с текущими коммерческими литий-ионными батареями с точки зрения загрузки активного материала положительного электрода, срока службы батареи и скорости заряда и разряда. Поэтому для систем сульфидных полностью твердотельных батарей необходимо найти альтернативные отрицательные электроды металлическому литию.
В настоящее время существует мало эффективных методов модификации материалов отрицательных электродов на основе кремния в полностью твердотельных батареях. Ключевыми факторами, влияющими на их электрохимические характеристики, в основном являются внешнее давление, связующие и проводящие агенты, размер частиц кремния, структурная конструкция и модификация поверхности.
Внешнее давление
Внешнее давление относится к давлению, прикладываемому к батарее во время работы полностью твердотельной батареи, которое может эффективно обеспечить твердый контакт между электродом и электролитом и обеспечить эффективную электронную и ионную проводимость внутри кремниевого отрицательного электрода во время цикла.
Связующее
В жидких аккумуляторах связующие вещества, подходящие для кремниевых отрицательных электродов, были широко изучены. Они обладают особыми свойствами, такими как самовосстановление, высокая механическая прочность, высокая эластичность и хорошая электронная или ионная проводимость, что может эффективно улучшить стабильность цикла и скоростные характеристики кремниевых отрицательных электродов.
Проводящий агент
Проводящий агент также является важным компонентом в кремниевом электроде, который может способствовать электронной проводимости внутри кремниевого электрода. Однако для сульфидных полностью твердотельных аккумуляторов проводящий агент углерод будет способствовать разложению сульфидных твердых электролитов.
Размер частиц кремния
Нанокремний лучше снимает напряжение, чем микрокремний во время литирования, и имеет более короткий путь диффузии ионов лития, таким образом, имея лучшие циклические и скоростные характеристики. Поэтому наноструктурированный кремний широко используется в жидких литий-ионных аккумуляторах, таких как нанопористые частицы, нанопроволоки и нановолокна. Однако исследователи обнаружили, что при использовании Si в сульфидных твердотельных системах активный материал и электролит находятся в твердотельном контакте, а нм-Si трудно равномерно диспергировать в твердом электроде, тем самым влияя на коэффициент использования активного материала композитного отрицательного электрода. Производительность μm-Si в твердотельных батареях может быть обусловлена более однородной морфологией электрода, а электрохимические характеристики могут быть лучше, чем у нм-Si, при этом также эффективно снижая затраты.
Проектирование структуры кремниевого анода
Разумное структурное проектирование может обеспечить буферное пространство для объемного расширения кремниевого анода, предотвратить реакцию между кремниевым анодом и электролитом и, таким образом, улучшить его циклическую стабильность. Однако при проектировании структуры следует также учитывать плотность уплотнения материала. Поры пористых материалов уменьшат объемную плотность энергии батареи. Необходимо всесторонне оценить оба варианта и выбрать наиболее подходящий диапазон.
Модификация поверхности
Модификация поверхности является одним из распространенных методов модификации материалов кремниевого анода в жидких батареях. Он может поддерживать структурную стабильность кремния, улучшать электронную или ионную проводимость поверхности кремниевого анода и уменьшать образование SEI. Однако имеется относительно мало сообщений о поверхностной модификации кремниевых анодных материалов в сульфидных полностью твердотельных батареях.