LiBSi₂：有望成为锂离子电池电极材料

诸平

据慕尼黑工业大学（ Technische Universitaet Muenchen）2013年6月6日发布的消息，慕尼黑工业大学的研究人员研究发现，锂离子电池负极的石墨层可以生产锂原子。然而,石墨的能力仅限于每六个碳原子才有一个锂原子，而硅可以使锂的持有量达到10倍。但不幸的是,其在此过程中强扩张，导致电池的应用出现许多难以未解决的问题。为了寻找一种替代纯硅的材料, 慕尼黑工业大学的科学家现在已经合成了一种新颖的由硼和硅构成的框架结构,它可以作为电极材料。在新硼硅锂化合物(lithium borosilicide，LiBSi₂)中的硼原子和硅原子类似于金刚石中的碳原子，相互之间以四面体的方式的连接。但不同于金刚石之处就是原子之间有通道形成。慕尼黑工业大学无机化学研究所托马斯·费斯勒（Thomas Faessler）教授说，“具有通道的开放结构，原理上提供了储存和释放锂原子的可能性,这一点对于作为锂离子电池阳极材料的应用是非常重要的需求。

目前锂电池能量密度低，电池续航能力差，安全性较差（尚存争议），因为有些构成电池的材料不稳定，的确容易发生爆炸。锂电池负极材料把握动力电池安全性命脉，在锂离子电池负极材料中，除石墨化中间相碳微球(MCMB)、无定形碳、硅或锡类占据小部分市场份额外，天然石墨和人造石墨占据着90%以上的负极材料市场份额。在2011年的负极材料市场统计中显示：负极材料的全球总产量应用达到32000吨，相比2010年同期增长28%，其中天然石墨和人造石墨负极材料两者占据了89%的市场份额，而随着这几年由于电子产品的增速，特别是手机平板电脑领域里锂离子电池应用的增加,导致相应的电池正负极材料这几年产能迅猛上升，石墨负极材料从2009年到2011年连续3年的增速都达到25%以上。

锂离子电池正极材料的发展方向是磷酸铁锂。虽然国内磷酸铁锂正极材料的研发如火如荼，但缺乏原始创新技术。锂离子电池负极材料未来有两个发展方向——钛酸锂材料和硅基材料。国内近年来开发的硅基材料基本能达到高比容量、高功率特性和长循环寿命的要求，但产业化还需突破工艺、成本和环境方面的制约。

慕尼黑工业大学开发的LiBSi₂材料的合成是在美国亚利桑那州立大学（Arizona State University）化学和生物化学系高压实验室进行的, 科学家们将原料硼化锂（lithium boride）和硅（Si）混合在一起进行高压反应，P=100000 atm., T=900 ℃,期望形成硅化锂（lithium silicide）。托马斯·费斯勒说，“为了找出适当的原料配比以及正确的参数, 直觉和扩展的实验经验是必要的。” 高压合成得到的LiBSi₂对于空气和湿度是非常稳定的，可以承受温度高达800 ℃而不分解。

接下来, 托马斯·费斯勒教授和他的研究生迈克尔·齐林格（Michael Zeilinger）将详细研究使这种材料究竟可以容纳多少锂原子，另外在充电过程中是否会出现膨胀现象。基于该材料的晶体结构预计其硬度可能非常硬,甚至在某种程度上可以与金刚石相媲美，如果确实如此，这种材料有望成为金刚石的替代品。因为LiBSi₂的框架结构是独一无二的,托马斯·费斯勒教授和他的研究生迈克尔·齐林格可能会根据其新颖的框架结构来对其进行命名。为了纪念 慕尼黑工业大学（Technische Universitaet Muenchen）他们选择了慕尼黑工业大学的首字母缩写即"tum."作为这种材料的名称。更多信息请浏览《应用化学：国际版》（Angew. Chem. Int. Ed）2013年6月3日出版的最新一期刊登的论文：Zeilinger M., van Wüllen L., Benson D., Kranak V. F., Konar S., Fässler T. F. and Häussermann U. LiBSi₂: A Tetrahedral Semiconductor Framework from Boron and Silicon Atoms Bearing Lithium Atoms in the Channels. Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52: 5978–5982. doi: 10.1002/anie.201301540.

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