2020年臨近，各大動力電池廠商也都在加緊研發(fā)新一代300Wh/kg高比能動力電池，更高容量的正負極材料的應(yīng)用勢在必行。針對下一代高比能電池的技術(shù)路線割钧，目前業(yè)內(nèi)已經(jīng)基本上達成了共識：高鎳材料匹配高容量的硅碳材料。然而即便是在該技術(shù)路線下大家仍然存在分歧淹郎，在硅碳負極的選擇上面臨兩條路線衔侯，是選擇Si，還是SiO?通常我們認為Si材料容量高氛硬，但是體積膨脹大迈枪，循環(huán)性能不好，SiO材料體積膨脹小田蔑，循環(huán)性能好违酣，但是容量低(相對于Si材料)，首次效率低紫磷，因此Si和SiO材料的選擇也成為了一道難題受啥。

近日美國俄亥俄州立大學(xué)的KePan(第一作者)和Marcello Canova(通訊作者)、Jung-Hyun Kim(通訊作者)對Si和SiO兩種材料的特性進行了詳細的對比鸽心，結(jié)果表明Li+在SiO材料中的擴散速度要快于在Si材料中的速度滚局，因此SiO材料能夠適應(yīng)對倍率性能有一定要求的場合，此外嵌鋰后SiO的體積膨脹僅為118%顽频，也要遠遠小于Si材料(280%)藤肢，因此SiO材料具有更好的循環(huán)性能。對于大家關(guān)心的首次效率的問題糯景，雖然文中作者沒有進行對比分析嘁圈，但根據(jù)小編與材料廠家的溝通，通過一些相應(yīng)的處理蟀淮，目前的SiO材料的首次效率也有了顯著的提升丑孩，甚至要高于Si材料，這表明對于下一代的300Wh/kg高比能鋰離子電池而言灭贷，SiO材料顯然是一種更好的選擇温学。

實驗中Ke Pan將Si或者SiO與炭黑、PAA按照6:2:2的比例在NMP中混合甚疟，然后涂布在銅箔的表面仗岖，干燥后不經(jīng)碾壓直接做成扣式電池，用來測試其電性能俗股。

通常我們認為SiO的嵌鋰反應(yīng)分為兩個部分(如下式所示)欲堪，首先是SiO與Li不可逆反應(yīng)生成Li4SiO4和Si，然后Si與Li進行可逆的嵌鋰反應(yīng)馁言。從下圖中的Si和SiO材料充放電過程中的dQ/dV曲線能夠看到涯蜜，SiO和Si材料充放電過程中具有完全一致的氧化還原峰，這也表明SiO材料中真正具有電化學(xué)活性的成分是在首次充電過程中產(chǎn)生的單質(zhì)Si群骂。

下圖為采用GITT方法測量SiO和Si材料的Li+擴散系數(shù)過程中得到的Si和SiO材料在不同的SoC狀態(tài)下的開路電壓烙锉，從圖中能夠看到在30%-100%SoC范圍內(nèi)，兩種材料的開路電壓曲線幾乎完全重合谱聂，

倍率性能在動力電池應(yīng)用中也是一項非常關(guān)鍵的性能孙鼎，直接關(guān)系到鋰離子電池的輸出性能，下圖為Si和SiO材料在不同的放電倍率下的容量(下圖c)和容量保持率(下圖d)桐装，從下圖d中我們能夠清楚的看到升慕，SiO材料的放電倍率性能要顯著好于Si材料。

快速充電的能力對于動力電池而言同樣重要害切，下圖為在不同的倍率下進行充電時Si和SiO材料的比容量發(fā)揮和容量保持率旅急，從圖中能夠看到在快速充電的能力上SiO材料的性能仍然要好于Si材料，因此SiO材料也更適合應(yīng)用在一些對倍率性能和快速充電性能有一定要求的場合牡整。

從上面的分析我們能夠看到藐吮，相比于Si材料，SiO材料具有更加優(yōu)異的倍率性能果正，Ke Pan這主要是因為Li+在SiO材料中具有更大的擴散系數(shù)炎码。通常Li+的擴散系數(shù)可以通過EIS和GITT兩種方法進行測量。首先我們采用EIS方法來測量兩種材料的Li+擴散系數(shù)秋泳，材料的Li+擴散系數(shù)可以根據(jù)EIS中的擴散曲線潦闲，并采用下式計算得到，其中A為電極和電解液總面積迫皱，但是這里Ke Pan為了計算的方便歉闰，因此以電極的幾何面積作為A，因此得到的結(jié)果僅僅是一個相對值卓起，僅能對比該試驗中SiO和Si材料的Li+擴散系數(shù)的大小和敬。

上圖為Si和SiO材料在不同的SoC狀態(tài)下的EIS曲線，下圖為根據(jù)EIS曲線和上述的公式計算得到的Li+擴撒系數(shù)，從圖中能夠看到Si材料中的Li+擴散系數(shù)為10-11-10-12cm2/s肚乓，而SiO中Li+的擴散系數(shù)可達10-9-10-11cm2/s运诺， Li+在SiO中的擴散系數(shù)要比在Si中高1到2個數(shù)量級，作者認為這主要是因為SiO材料在首次充電過程中生成的Li4SiO4材料是一種Li+導(dǎo)體案帆，因此加速了Li+的擴散幢垮。

GITT方法也是測量Li+在活性物質(zhì)中擴散系數(shù)的有效方法，為了驗證上面EIS測試結(jié)果的準確性捎梢，作者還采用GITT方法對Si和SiO兩種材料的Li+擴散系數(shù)進行了測量(結(jié)果如下圖所示)邓刻，可以看到Li+在Si材料中的擴散系數(shù)為10-9-10-12，而Li+在SiO中的擴散系數(shù)為10-8-10-11摹搂，Li+在SiO中的擴散系數(shù)要比在Si中高1到2個數(shù)量級锦是，這與前面的測試結(jié)果是相一致的，較大的Li+擴散系數(shù)是SiO材料倍率性能好于Si材料的重要原因指佳。

體積膨脹引起顆粒粉化和破碎漓琢，導(dǎo)致活性物質(zhì)損失是硅負極材料循環(huán)性能較差的重要因素，為了對比Si和SiO兩種材料的體積膨脹的差別水水，作者采用SEM手段分析了SiO材料在充放電過程中的體積變化(如下圖所示)剂东，下表為SiO在充放電前后中粒徑的變化。從分析結(jié)果來看某弦，SiO材料在嵌鋰態(tài)下相比于脫Li態(tài)體積膨脹118.2%桐汤，相比于Si材料高達280%的體積膨脹要小的多，這也減少了SiO材料在充放電過程中顆粒破碎和粉化的風(fēng)險靶壮，因此顯著提升了SiO材料在長期循環(huán)中的穩(wěn)定性怔毛。

從Ke Pan的工作我們可以看到，SiO材料具有更快的Li+擴散速度腾降，因此倍率要明顯好于Si材料拣度，同時SiO材料在嵌Li的過程中的體積膨脹也僅為118.3%左右，明顯低于Si材料(280%)螃壤，從而大大減少了顆粒破碎和粉化的風(fēng)險抗果，顯著提升了循環(huán)性能。此外在我們所關(guān)注的首次庫倫效率方面奸晴，近年來經(jīng)過材料廠家的努力冤馏，SiO材料的首次庫倫效率已經(jīng)大大上升，基本上滿足了應(yīng)用的需求寄啼。因此綜合來看逮光，SiO材料的綜合電化學(xué)性能要明顯好于Si材料，是下一代高比能鋰離子電池負極材料的理想選擇诬簇。