外部载荷对硅电极锂电池循环性能的影响OA北大核心CSTPCD

硅具有高比容量和低电压平台等优点,被认为是最有前途的锂离子电池负极材料之一。然而,硅电极在锂化/脱锂过程中巨大的体积膨胀以及伴随的材料破裂和粉化,限制了其倍率性能和循环性能。现有研究表明,在循环过程中对硅电极施加外部载荷能有效提高电池的循环性能。本研究提出了一种宏观调控方法,即通过施加外部机械载荷以提高硅电极锂离子电池的容量保持率。采用设计定制的原位充放电加压实验设备,以CR2032纽扣电池为对象开展实验,通过充放电循环测试验证了该方法的有效性。实验结果显示,在CR2032电池表面施加0.2 MPa大小的轴向外部载荷,可以有效抑制硅电极在充放电过程中的膨胀,并调节电池内部状态。经过50个充放电循环后,电池容量保持率将从无外部载荷时的59%提升至70%。同时,由于硅电极活性物质颗粒在锂化和脱锂过程中存在不同的应力状态,提出了一种新的调控方法,即在循环过程中在电极材料的锂化阶段施加0.1 MPa大小的外部载荷,并在脱锂阶段施加0.2 MPa的载荷。实验结果证明,该方法可以进一步提高硅电极锂离子电池的循环性能。此外,电极表面的扫描电子显微镜成像结果也支持了这一结论。本研究采用的外部机械载荷施加方法,为从宏观角度提高硅负极锂离子电池性能提供重要的借鉴。