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由Si和二氧化硅（SiO₂）組成的SiO是最具商業(yè)前景的負極材料之一，可與石墨混合用于高能量密度鋰離子電池（LIBs）。SiO₂/石墨（SiO₂/Gr）復合負極的主要瓶頸之一是由于復合顆粒內(nèi)部和之間產(chǎn)生的大應力和應變（變形）而導致的可循環(huán)性。然而，目前仍缺乏對高度電化學-力學耦合行為的復雜和定量理解。

在此，美國北卡羅來納大學夏洛特分校許駿教授等人建立并驗證了具有詳細幾何描述的電-化學-力學模型，以定量揭示使用半電池配置的SiO/Gr復合負極的潛在控制機制。根據(jù)半電池電壓和全電池厚度的變化，通過將仿真結果與相應的實驗進行比較來驗證所提出的模型。作者分析了電化學行為，包括電壓曲線、組件SOC演變、局部分布、電解液中的極化和鍍鋰條件等。

進一步，作者討論了力學方面的應力和變形演變，并研究了應力分布和相應的應力梯度驅動通量。然后，基于驗證模型討論了SiO重量百分比（wt.%）、SiO位置、SiO大小和電流倍率對上述行為的影響?？傊?，這項研究提供了一個完全耦合的建模框架來描述 SiO/Gr復合負極的異質行為。通過對此類行為的基本了解，該研究為高能量密度SiO/Gr復合負極的制造和工程設計提供了指導。

圖1. 含7 wt.%和10 wt.% SiO 的半電池實驗和模擬結果之間的比較

最后，作者總結結論如下：

（1）應力梯度驅動的擴散主要影響SiO/Gr復合負極中的SiO顆粒和SiO-Gr接觸面積；

（2）在1 C恒流充電條件下，SiO含量為8 ~ 10 wt.%是實現(xiàn)容量輸送和最小化鍍鋰的最佳選擇；

（3）將SiO顆粒放置在隔膜側附近并保持與碳粘結劑域或Gr顆粒的良好附著可減少電解液中的鋰電鍍和極化，同時略微增加可忽略的整體變形；

（4）減小SiO顆粒的尺寸可能會在SiO中獲得更大的鋰化程度，但在Gr中的鋰化程度較低，從而導致在具有相同可行容量的情況下鍍鋰風險較小。此外，負極的整體應力大小和變形略有降低；

（5）增加電流倍率會導致更小的半電池電勢和更嚴苛的電鍍條件并增強Gr中的鋰化，這甚至會進一步導致接近充電過程結束時的過度鋰化。在較大的倍率下，應力和應力梯度引起的通量都較大，這對電池性能不利。

圖2. 不同SiO尺寸模型之間電化學行為的比較

A Mechanistic and Quantitative Understanding of the Interactions between SiO and Graphite Particles, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202202584

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許駿AEM：SiO與石墨顆粒之間相互作用的機理和定量理解

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