​中科大谈鹏/龚莉莉EnSM：硅碳电池在低温下的循环稳定性

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​中科大谈鹏/龚莉莉EnSM：硅碳电池在低温下的循环稳定性

为了推进锂离子电池在低温下的应用，人们在电解液、电极材料、电极结构等方面分别做出了改进，此外通过调整电池充放电策略和预热等方式也被证明可以改善电池的低温性能。但是前者巨大的生产成本限制了其商业应用，而后者并未在根本上推动电池技术的革新。
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在此，中国科学技术大学谈鹏、龚莉莉等人发现相比传统石墨电池，硅/碳混合（Si/C）电池在-20 ℃具有更好的循环稳定性、容量利用率和倍率性能。电化学分析揭示了Si的添加会改善电池的低温动力学性能，此外Si更高的电位平台提高了负极整体电位，热力学上阻止了负极的析锂电位。
通过表征对Si/C负极低温循环下的微观形貌和界面特性做了详细分析,证明了Si在低温下显著的膨胀现象和更厚的固态电解质界面（SEI）。相较于Si膨胀问题，析锂是导致低温下电池快速衰减的主要因素，Si的添加抑制了负极析锂从而促进了电池低温下优异的循环稳定性。
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图1. 动力学特性比较
总之，该工作证明了Si/C混合负极电池在LT(-20°C)循环过程中意想不到的优越性能。通过电化学测试、表征技术和数值模拟，研究了硅/碳电池的改进机理和主要退化因素，并提出了硅/碳电池在极端低温条件下的混合策略。与石墨电池相比，15Si电池表现出更好的可逆性(CE在循环10次时100.10%)、可用容量(1.1 mAh)和稳定性(50次循环衰减10%)。Si的加入抑制了LT时的析锂反应，增强了Li的扩散，提高了电池的动力学和热力学性能。
此外，Si膨胀和相应的 SEI 增长在 LT 下仍然很明显。基于统计和数值模拟发现，与原始15 µm石墨与10 µm Si混合相比，随着Si含量从10%、20%增加到40%，最大Si尺寸分别变为12、14和15 µm。因此，Si尺寸增加引起的不稳定性与Si含量增加带来的性能增加之间的相互关系仍需要深入分析。
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图2. LT修饰机制
Unexpected Stable Cycling Performance at Low Temperatures of Li-ion Batteries with Si/C Anodes， Energy Storage Materials 2024 DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103216

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