何向明教授、Walid A. Daoud教授，ESM：推进锂离子电池负极走向可持续未来：实现高比容量、快速充电和提高安全性的途径

第一作者：赵红，薄祥昆

通讯作者：何向明*，Walid A. Daoud*

单位：清华大学，佛山大学，香港城市大学

随着科技和工业的进步，能源需求不断增加，为防止能源危机和减少化石燃料造成的环境污染，社会逐步转向可持续能源。然而，风能和太阳能等可再生能源在提供稳定输出方面存在挑战。锂离子电池（Li-ion）能够储存间歇性能源并提供稳定电力，因此在电子产品和电动汽车中具有关键作用。尽管锂离子电池已发展超过30年，但仍在追求更高的能量密度、更快的充电速度和更高的安全性。在电池的关键部件中，负极在提升能量密度方面尤为重要。虽然硅（Si）和磷（P）等先进负极材料具备高比容量，但它们在锂化过程中因体积膨胀导致容量衰减和材料退化。纳米化可以缓解内部应力，但也可能引发不可逆的锂损失和安全风险。实现高比容量、快充能力与安全性的平衡仍是一个挑战。为此，研究者们通过材料改性和复合材料等方法，探索了负极材料在容量、快充和安全性方面的最新进展，并提出了未来开发同时具备这三种特性的材料的可能性。

近日，来自清华大学的何向明教授与香港城市大学的Walid A Daoud教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Advancing lithium-ion battery anodes towards a sustainable future: Approaches to achieve high specific capacity, rapid charging, and improved safety”的综述文章。该综述文章介绍了现在常用的先进负极材料的局限性和应对策略，总结了实现高比容量、高倍率和高安全性电池的途径。

硅 (Si)、磷 (P)、铝 (Al) 和锡 (Sn) 在合金化过程中能够结合多个锂离子，使它们相较于其他材料具有更高的比容量。这些材料因而成为替代石墨作为锂离子电池负极的有力候选。然而，它们的高比容量导致负极材料的体积显著膨胀，从而引起内部应力的变化，导致材料破裂、粉化和脱落，最终缩短电池的循环寿命。为应对这一挑战，研究人员探索了高比容量材料的纳米设计以及这些材料与碳材料的复合。通过减小材料尺寸或制造多孔负极材料，可以在体积膨胀期间提供缓冲空间并减少内部应力。与碳材料，尤其是石墨以及其他具有高电子和离子导电性的材料复合，能够减轻这些不利影响。

尽管这种方法会降低负极的总体容量，但由于导电网络的改善，它显著增强了循环稳定性。因此，当前的研究重点在于如何在尽量减少比容量下降的同时，提升循环稳定性。这一目标推动了新型负极材料的不断发展。这种方法的核心在于通过纳米化减少材料尺寸或通过引入多孔结构来提供体积膨胀的缓冲空间。此外，将这些材料与具有优良导电性能的碳材料复合，能有效改善材料在循环过程中的稳定性。尽管复合材料的总体比容量有所降低，但它们在提升循环寿命方面的表现优异。因此，研究人员致力于开发能够兼顾高比容量和长循环寿命的新型负极材料，以实现更为高效和持久的锂离子电池。这一研究方向推动了负极材料设计和合成的持续创新，为未来电池技术的进步奠定了基础。

快充能力对于锂离子电池尤其是电动汽车至关重要，因为当前的充电速度远慢于传统燃油汽车的加油速度。电极材料的微观和介观结构显著影响锂离子的传输，从而影响充放电速度。实现高效快充需要优秀的电子和离子导电性，但许多负极材料如硅和磷的导电性较差，在高倍率充电时易产生欧姆极化，导致比容量下降。通过纳米和分子级别的改性可以提升快充性能，缩短锂离子扩散路径，改善离子迁移。然而，纳米化虽促进快速合金化和脱合金化，但也可能减少单位体积的活性材料，从而影响比容量。因此，研究重点在于优化微观结构，以降低锂离子迁移阻力，平衡快充性能与比容量的关系。

负极材料的安全性对锂离子电池整体安全至关重要。锂枝晶的形成和负极材料的脱落可能导致内部短路，而负极表面的固体电解质界面（SEI）含有易燃聚合物，在高温下易引发热失控。为提高安全性，开发了具有高锂嵌入电位的材料，但这会降低电池的电压窗口，影响能量密度。通过形成富含LiF的无机SEI层，可以减少SEI的可燃性和离子迁移阻抗，同时保护负极防止副产物生成，提升安全性能。在确保安全的同时，保持能量密度仍然至关重要，因此开发热稳定的SEI或人工SEI在实际应用中备受重视。

目前，尽管提出了多种先进负极材料，但商业应用主要使用石墨、Li₄Ti₅O₁₂、锡和硅。商业化过程中，材料成本与综合性能（比容量、循环稳定性、倍率性能、和安全性）同样重要。锡和硅因其高比容量和相对低成本，已被不断优化并实现工业化。多家公司如索尼、三星SDI、LG化学、贝特瑞等已获得多项硅基负极专利，并推进其在锂离子电池中的应用。

在过去三十年中，锂离子电池（LIBs）取得了快速进展，并广泛应用于计算机、通信设备、消费电子、电动汽车和储能系统。关键在于降低成本和提升电池材料性能，特别是负极材料的设计。硅（Si）和磷（P）作为非金属负极材料，具有高比容量，但因导电性差和体积膨胀问题，需通过纳米技术和复合材料策略改善。快速充电性能主要受锂离子在负极表面的迁移和扩散影响，缩小材料尺寸有助于提高倍率放电性能，但也可能增加SEI形成和锂损耗。安全性则与负极的SEI和锂沉积相关，高锂化电位有助于提高安全性，但会降低能量密度。综合考虑比容量、倍率性能和安全性，负极材料的发展需在实现高性能的同时，简化工业生产工艺，以满足电子产品和电动汽车的实际应用需求。

何向明教授简介：清华大学核能与新能源技术研究院新型能源与材料化学研究室主任，研究员/博士生导师，锂离子电池课题组学术带头人。1982年考入清华大学，毕业后留校工作至今。从事过放射性后处理设备研发，反应堆利用之核径迹微孔膜研发，燃料电池和锂离子电池研发工作。最近20多年来，一直从事锂离子电池及其关键材料研究，重点围绕锂离子电池的电性能及安全性关键科学问题，以材料化学为核心,通过多学科协同的创新解决锂离子电池中的关键材料技术、关键设计及制造技术及关键测试评估技术。在高比能量负极规模化制备技术、聚合物基高稳定性电解质、氧化物正极材料安全性改性方面具有丰富的生产研发经验。并从材料、电芯、模组层面，以及生产制造技术方面，研究解决动力电池的一致性、安全性、热特性，以及可靠性的问题。著有《锂离子电池正极材料规模化生产技术》、《聚合物性能与结构》、《电动汽车动力电池系统安全分析与设计》、《锂离子电池模组设计手册》等专著。获发明专利授权近400项。发表SCI论文290多篇。获一次部级技术发明一等奖。

Walid A. Daoud教授简介：香港城市大学机械学院教授。毕业于奥地利格拉茨科技大学，获得化学工程专业工学学士和硕士学位，并在英国谢菲尔德大学获得博士学位。2002 年，他加入香港理工大学，在 2003 年纳米技术中心的建立中发挥了重要作用，并于 2005 年担任讲师。2007 年，他转至蒙纳士大学担任讲师，并于 2010 年晋升为高级讲师。2012 年，他加入香港城市大学，担任过多个行政职务，包括课程和流程负责人以及研究和研究生课程副院长。Daoud 教授目前的研究主要集中在能量收集、存储和智能可穿戴技术上。他的团队对储能电池的建模和设计很感兴趣。Daoud 教授因其在可穿戴太阳能、动能收集和能量存储方面的开创性工作而获得了国际声誉和多项奖项。目前担任 Wearable Electronics, Frontiers in Electronics的主编以及Journal of Power Sources Advances ，Industrial Chemistry & Materials杂志的顾问/编辑委员会成员。

赵红教授，博士毕业于哈尔滨工业大学，曾任香港科技大学博士后，副研究员，香港科技大学纳米及先进材料研发院有限公司高级工程师。从事晶态碳基纳米电化学储能材料研究十余年，在国际知名期刊发表文章四十余篇，主持香港科技创新署项目2项。

薄祥昆，博士毕业于香港城市大学。专注于能量存储和能量收集领域，在国际知名期刊发表论文十余篇，申请专利十余项。