激光脈衝製備高性能硅負極

電池領域的科研工作者一直致力於提高電池的能量密度。在鋰離子電池負極這方面，硅很有可能取代石墨而成為新一代鋰電負極。但是硅材料卻陷於體積膨脹等問題而停滯不前，雖然有很多改善的方案呈現出來，例如硅-金屬氧化物複合、硅-碳核殼結構以及CNT、石墨烯作為支撐等。這些雖然改善了硅負極的循環性能，但是其精密的製備和高昂的成本難以與諸如石墨的市售材料競爭。德國斯圖加特SCoPE大學光伏研究中心研究所Christian S?mann等人引入一種激光致孔的方法調整硅膜的形態，以使其在循環中達到穩定的效果，具有極好的電化學性能。

圖1. 在不鏽鋼箔基板上濺射沉積Si之後的硅負極製造步驟。a）脈衝激光通過線性掃描表面上材料製成多孔。激光線具有O =50μm的重疊。b）直徑d=18 mm電極的紫外激光切割。

圖2. 未處理硅電極在3000次循環前（a）和後（d, g）的SEM圖像；LPDτP= 104ns激光處理的Si電極在3000次循環前（b）和後（e, h）的SEM圖像；LPDτP= 104ns激光處理的Si電極在3000次循環前（c）和後（f, i）的SEM圖像

註：該研究比較了兩種不同的激光脈衝持續時間（LPD）τP= 104ns和τP= 63ns，而脈衝能量EP= 55μJ保持恆定。

本研究中多孔Si的製備僅需要單一的激光照射步驟來完成，這有利於緩衝體積膨脹帶來的影響。與未處理的Si相比，激光處理防止了Si開裂成碎片，達到更穩定的恆電流循環性能。 在3000次恆電流循環後，激光孔隙化和結晶的Si電極具有C3000> 130mAh/g的剩餘容量，而未處理Si電極容量低於20mAh/g。

圖3. 容量限制恆電流測量曲線

對於不同激光脈衝持續時間（LPD）所帶來的不同結果，作者給出了解釋：由於更快的熱量釋放和隨後更短時間加熱帶來的熱量損失，造成在激光脈衝持續時間（LPD）不變的情況下增加了熔化體積。此外，更短的時間內釋放相同的脈衝能量EP，會導致表面處更高的熔融溫度，這增大了氣泡誘導的孔徑。因此，激光脈衝持續時間的減小導致了孔隙率較大。進而帶來更好的電化學性能。

Christian S?mann, Katerina Kelesiadou,Seyedeh Sheida Hosseinioun, Mario Wachtler, Jürgen R. K?hler, Kai Peter Birke,Markus B. Schubert, Jürgen H. Werner; Laser Porosi?cated Silicon Anodes for Lithium Ion Batteries; Advanced Energy Materials(2017); DOI: 10.1002/aenm.201701705

聲明：

1.本文主要參考以上所列文獻，文字、圖片和視頻僅用於對文獻作者工作的介紹、評論，不得作為任何商業用途。

2.本文版權歸能源學人工作室所有，歡迎轉載，但不得刪除文章中一切內容！

3.因學識所限，難免有所錯誤和疏漏，懇請批評指正。

科研智能服務專家——南屋實驗室

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！