電鏡應用|Apreo 2表征鋰電池硅基負極材料

2024-10-25

技術文章

為了提高鋰電池的能量密度，市場急需容量高、成本低廉、可規模化生產的新型材料。與插層類石墨負極材料相比，Si、Ge、Al、Sb等合金類負極材料具有更高的儲鋰容量。

硅基負極材料

硅基負極材料的比容量最高，可高達3500 mAh/g，是石墨容量的10倍。開發硅基負極材料的另一個原因是Si是地殼中第二大儲量的元素（質量比占28%），表明其具有低成本大量生產的潛力。但是硅基負極材料在鋰的嵌入/脫出過程中體積膨脹（Si的膨脹率甚至達到300%）而導致顆粒粉化，導致電極失效；而且由于Li嵌入/脫出的電化學電位較低(<0.5 V vs Li+/Li)，有機電解質在負極顆粒表面發生還原分解，形成SEI膜。

SEI膜會因為循環過程中發生的體積變化而破裂，暴露出新鮮的電極材料，繼續與有機電解質發生反應，從而不斷消耗電解質。為了緩解這些問題，有些研究人員通過改善工藝將硅顆粒的尺度縮小到亞微米級別來提高循環性能，比如通過CVD方法制備納米結構硅顆粒。也有些研究人員在硅顆粒表面包覆無定形的碳，以提高其化學穩定性。也就說我們可以通過微觀結構上的設計來改善材料的性能，賽默飛超高分辨場發射掃描電鏡Apreo 2便是我們了解材料微觀結構的一大助手。

Apreo 2配備了YAG（釔鋁石榴石）材質的超高靈敏度背散射探測器，通過不同元素的背散射電子產額的差異來區分負極材料中不同相。如圖1所示，分別為氬離子研磨前后的碳硅負極顆粒，白色較亮區域為SiO₂顆粒，較灰色的為SiO_x顆粒，較黑色的為碳顆粒，根據不同顆粒的元素組成差異而獲取不同的背散射襯度，從而輕松區分不同相的分布情況以及顆粒的尺寸信息。

硅納米顆粒通過合適的結構設計也可提高SEI膜穩定性。比如在Si顆粒外包覆一層無定形碳，如圖2所示，碳層具有良好的電子導電和離子導電性，也可限制硅顆粒向外膨脹，同時避免電解液與內層Si直接接觸，顯著提高SEI膜穩定性。

賽默飛場發射掃描電鏡Apreo 2

參考資料：

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.