硅/碳复合纳米结构预锂化及其在锂离子电池中的应用

Silicon is regarded as one of the most promising anode materials for next-generation lithium-ion batteries due to its 10 times higher specific capacity than the graphite anodes. Intense academic and industrial effort has been devoted to realize silicon anodes with high capacity and long-term cyclability. However, the large capacity loss in the first cycle for silicon anode remains unresolved. This proposal aims at addressing the low first-cycle Coulombic efficiency (CE) by prelithiation of Si/C nanocomposites with thermal alloying process. By tuning the structure of Si/C nanocomposites and prelithiation parameters, we will study the mechanism of delithiation/lithiation in prelithiated Si/C nanostructures. These prelithiated structures will exhibit high chemical stability (stable in air with 10% relative humidity for one day) and high anode performance (1st cycle CE > 95%, capacity > 600 mAh/g, and > 200 cycles). In addition, the prelithiated Si/C nanocomposites can serves as new anode materials to pair with high-capacity lithium-free cathodes for next-generation high energy density lithium-ion battery.

硅基负极材料，因为具有极高的理论储锂容量，被认为是最有希望取代目前石墨的下一代负极材料，相关研究已成为当前锂离子电池研究的重要前沿。本申请针对现有的硅基负极首轮库伦效率低的瓶颈问题，提出预锂化硅/碳复合负极的新思路，即采用先将硅/碳复合材料与熔融锂金属发生反应，再制备成负极的方法，从根本上解决其首轮库伦效率低的问题。本申请拟通过对硅/碳复合结构的设计与可控合成，以及熔融预锂化反应参数的调控，研究探讨预锂化硅/碳结构中的脱/嵌锂机理；制备出高化学稳定性（在湿度10%的空气中稳定存在24小时以上）和高性能（首轮库伦效率大于95%，比容量大于600mAh/g，稳定循环在200个周期以上）的预锂化硅/碳负极材料。高容量预锂化硅/碳负极的成功制备也为新型缺锂正极材料提供有效的负极配对选择，此方面的研究突破将为发展高能量密度的动力锂离子电池体系提供理论和实验依据。

本项目针对现有的硅基负极首轮库伦效率低的瓶颈问题，提出预锂化硅/碳复合负极的新思路，即采用先将硅/碳复合材料与熔融锂金属发生反应，再制备成负极的方法，从根本上解决其首轮库伦效率低的问题。项目执行期间，基本按申请书中所列的研究内容展开，并根据项目进行中的新发现进行了多个扩展性研究。（1）开发了锂化二氧化钛壳层和铜颗粒保护的硅化锂纳米颗粒负极材料，在电池测试中极大提升了循环稳定性和化学稳定性； （2）研究了预锂化SiO2颗粒作为高性能锂离子电池负极材料的可能性，系统的讨论了SiO2球的尺寸（6 nm、20 nm，300 nm,和3μm）对于预锂化产物电化学性能的影响；（3）为与高容量硅基负极材料配对，制备了高电压平台磷酸锰锂/碳复合团簇；（4）开发出一种新型的由含锂离子、三维连续的二氧化硅纤维网络支撑的复合固态电解质，为预锂化硅基负极的安全应用提供了发展方向。项目执行期间，在ACS Appl. Mater. Inter., Small, Chem. Eng. J等SCI期刊上发表与项目相关论文11篇，申请发明专利2件。