电镜应用|Apreo 2表征锂电池硅基负极材料

2024-10-25

技术文章

为了提高锂电池的能量密度，市场急需容量高、成本低廉、可规模化生产的新型材料。与插层类石墨负极材料相比，Si、Ge、Al、Sb等合金类负极材料具有更高的储锂容量。

硅基负极材料

硅基负极材料的比容量最高，可高达3500 mAh/g，是石墨容量的10倍。开发硅基负极材料的另一个原因是Si是地壳中第二大储量的元素（质量比占28%），表明其具有低成本大量生产的潜力。但是硅基负极材料在锂的嵌入/脱出过程中体积膨胀（Si的膨胀率甚至达到300%）而导致颗粒粉化，导致电极失效；而且由于Li嵌入/脱出的电化学电位较低(<0.5 V vs Li+/Li)，有机电解质在负极颗粒表面发生还原分解，形成SEI膜。

SEI膜会因为循环过程中发生的体积变化而破裂，暴露出新鲜的电极材料，继续与有机电解质发生反应，从而不断消耗电解质。为了缓解这些问题，有些研究人员通过改善工艺将硅颗粒的尺度缩小到亚微米级别来提高循环性能，比如通过CVD方法制备纳米结构硅颗粒。也有些研究人员在硅颗粒表面包覆无定形的碳，以提高其化学稳定性。也就说我们可以通过微观结构上的设计来改善材料的性能，赛默飞超高分辨场发射扫描电镜Apreo 2便是我们了解材料微观结构的一大助手。

Apreo 2配备了YAG（钇铝石榴石）材质的超高灵敏度背散射探测器，通过不同元素的背散射电子产额的差异来区分负极材料中不同相。如图1所示，分别为氩离子研磨前后的碳硅负极颗粒，白色较亮区域为SiO₂颗粒，较灰色的为SiO_x颗粒，较黑色的为碳颗粒，根据不同颗粒的元素组成差异而获取不同的背散射衬度，从而轻松区分不同相的分布情况以及颗粒的尺寸信息。

硅纳米颗粒通过合适的结构设计也可提高SEI膜稳定性。比如在Si颗粒外包覆一层无定形碳，如图2所示，碳层具有良好的电子导电和离子导电性，也可限制硅颗粒向外膨胀，同时避免电解液与内层Si直接接触，显著提高SEI膜稳定性。

赛默飞场发射扫描电镜Apreo 2

参考资料：

1、A Yolk-Shell Design for Stabilized and Scalable Li-Ion Battery Alloy Anodes，Nano Lett，2012，12,3315-3321.

2、Challenges and Recent Progress in the Development of Si Anodes for Lithium-Ion Battery，Adv. Energy Mater.，2017，1700715.