原位分析硅碳体系电芯膨胀性能

为了提升电池的能量密度，需要从材料和工艺方面进行改进。硅基材料在嵌锂过程中形成LixSi（x=0~4.4）合金的理论比容量为4200mAh/g，远大于目前常用的石墨材料的理论比容量372mAh/g，因此硅基材料成为提升电池能量密度的最有潜力的负极材料。但是由于硅负极的在脱嵌锂过程中的体积膨胀和收缩严重，导致电池的循环性能差，限制了其在锂电行业的广泛应用，如何有效的抑制硅负极的膨胀成为锂电行业亟待攻克的难关。目前能够实际使用的硅基负极大都为硅碳按照一定比例混合的材料，探究不同混合比例对电池膨胀性能的影响，有助于研发人员加深对硅基材料膨胀的理解并做出相应的改进措施，加快硅基材料的广泛应用。本文对两种不同比例混合的硅碳材料（比容量分别为450mAh/g和800mAh/g）制备成的软包电芯进行原位膨胀厚度测试，对比分析两者的膨胀性能的差异。

图1.硅-石墨复合电极概述1

     

1.实验设备与测试方法      

1.1实验设备：原位膨胀分析仪，型号SWE2110（IEST元能科技），设备外观如图2所示。

图2. SWE2110设备外观图

1.2测试流程

1.2.1电芯信息如表1所示。

表1. 测试电芯信息

1.2.2 充放电流程：25℃ Rest 5min; 0.5C CC to 4.2V, CV to 0.025C; rest 5min; 1C DC to 2.75V。

1.3电芯厚度膨胀测试：将待测电放入设备对应通道，开启MISS软件，设置各通道对应电芯编号和采样频率参数，软件自动读取电芯厚度、厚度变化量、测试温度、电流、电压、容量等数据。

     

2.原位分析硅碳体系电芯膨胀行为      

      图3为电芯充放电曲线以及厚度膨胀曲线。在充放电过程中，电芯的厚度先增加后减小，这主要与充放电过程的脱嵌锂导致硅碳结构相变有关，锂在不断从正极脱出进入负极结构中时，与硅形成LixSi合金，与石墨形成LiCx插层化合物，均会引起负极的膨胀，可进一步结合微分容量曲线分析硅和石墨膨胀行为。

图3 电芯充放电曲线以及厚度膨胀曲线

      图4为电芯的微分容量曲线与厚度膨胀曲线的对比。从微分容量曲线上来看，充电和放电过程均出现三组明显的脱嵌锂峰，此电芯的正极均为NCM811，而负极分别为不同克容量的硅碳材料。对比两组电芯的peak2和peak2’峰强基本一致，说明该峰位主要是NCM811的相变位点，而peak1和peak3相比，800Si/C的峰强要明显大于450Si/C，说明Si的含量较多时，形成硅碳合金的反应也较多，进而充电时引起厚度膨胀也较多。 

图4.充放电微分容量曲线与厚度膨胀曲线

     

3.总结    

本文采用原位膨胀分析仪（SWE）对不同克容量的硅碳体系电芯进行充放电厚度膨胀分析，发现随着硅碳负极克容量的增大，电芯的膨胀厚度也增大，这主要与形成硅碳合金时硅结构膨胀有关，研发人员应合理调控硅碳比例及修饰硅基材料结构来抑制结构膨胀，从而保证电池拥有良好的循环稳定性。 

     

         

参考文献          

   

1. Peng Li, Hun Kim, Seung-Taek Myung, Yang-Kook Sun Diverting Exploration of Silicon Anode into Practical Way: A Review Focused on Silicon-Graphite Composite for Lithium Ion Batteries. Energy Storage Materials, 35(2021) 550-576.

2. Andressa Y. R. Prado, Marco-Tulio F. Rodrigues, Stephen E. Trask, Leon Shaw and Daniel P. Abraham. Electrochemical Dilatometry of Si-bearing Electrodes: Dimensional Changes and Experiment Design, J. Electrochem. Soc. 167 160551.

3. Sujong Chae, Minseong Ko,Kyungho Kim, Kihong Ahn and Jaephil Cho. Confronting Issues of the Practical Implementation of Si Anode in High-Energy Lithium-Ion Batteries. Joule 1, 47–60, September 6, 2017.