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
1.1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。
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
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。
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