钝化层对Si基薄膜储锂动力学改善机制的研究

Silicon has been considered as a promising anode material for next generation lithium ion batteries due to its high energy density. However, the commercialization of Si anode is hindered by its extremely poor cycling stability and rate capability. These problems can be alleviated by introducing surface passivation layers on Si, but the mechanism of capacity retention with passivation coating is still unclear. Based on previous works, optical analysis combining with traditional morphological, structural and electrochemical analysis are employed to investigate the effect of passivation layer on stabilizing the formation of SEI film. Furthermore, we intend to elucidate the relation between passivation layer and electrode process kinetics. The outcomes yielded from this project may provide fundamental information for commercialization of Si anode for lithium ion batteries.

硅材料因具有高储能密度被认为是下一代锂离子电池负极材料，但较差的循环稳定性和倍率性能制约了其商业化应用。对硅材料表面进行钝化层包覆能够有效解决上述问题，但具体的钝化层对其性能的改善机制不明。在前期工作的基础上，申请人提出利用薄膜的方法，引入光学性能表征，结合形貌结构和电化学性能分析等手段，深入研究钝化层的成分，结构和厚度在稳定SEI膜形成中所起的作用。进一步阐明钝化层的存在对Si基薄膜体系动力学性能的改善机制。本项目的研究结果将指导开发出具有优异循环稳定性和高倍率性能的Si基负极材料。

Si基材料是锂离子电池负极材料的研究热点。Si基负极材料，理论容量高，电压平台低和成本低廉等优势，极具应用前景。然而，因储锂过程中体积变化大，表面形成的SEI不稳定，导致初始库伦效率低和循环稳定性差，限制其实际应用的前景。本项目通过在Si材料表面包覆MXene（Ti3C2）钝化层，并配以与Si界面稳定的LiBH4电解质组装全固态电池，在缓解体积膨胀的同时，激活了Si材料的反应活性，促进其深度锂化。得益于稳定的SEI膜的形成，Si/MXene体系的首圈库伦效率接近90 %，高于目前商业化要求的80 %的水平。此外，研发了一种分级结构的Si/C复合材料，具有优异的循环稳定性，在0.5 A/g的电流密度下，循环250圈容量稳定在1318 mAh/g，单圈循环衰减率不到0.07%。项目取得的相关研究成果，为Si基材料的市场化应用奠定了基础。项目执行期间，发表SCI收录论文21篇，其中项目第一标注5篇，申请国家专利4项，授权2项；培养硕士研究生3名，博士生1名；圆满完成了本项目的考核任务。