核壳结构Si/C复合负极材料的制备与储锂性能研究

以酚醛树脂包覆纳米硅颗粒后通过碳化处理,制备了具有核壳结构的Si/C复合负极材料,并研究了碳化温度和电极中活性物质含量对储锂性能的影响。透射电子显微镜分析结果表明,该复合材料由厚度为5~15nm的无定型碳壳包覆的硅颗粒组成。电化学测试表明,750℃碳化所得复合材料在活性材料∶粘结剂∶乙炔黑=1∶1∶1(质量比)时,初始放电容量为1836mAh/g(首次库仑效率84.8%),循环50次后仍可保持873mAh/g的可逆容量。此外,具有核壳结构的Si/C复合负极比纯硅负极表现出更好的循环稳定性,这可能是因为碳壳的存在缓解了硅的体积膨胀、改善硅的导电性,在一定程度上保证了Li+嵌入和脱出过程的稳定进行。     

将硅纳米颗粒限域在多壳层空心球:一种提升循环稳定性的有效策略（英文）

单质硅是一种有潜力的高容量锂离子电池负极材料.然而,受限于充放电过程中巨大的体积膨胀,其循环性能并不理想.在这个工作中,我们设计了一种独特的三组分复合负极材料(Si/Cr₂O₃/C),其中Si纳米颗粒被限域在碳包覆的氧化铬多层空心球(MSHSs)中.得益于Cr₂O₃/C基体的体积变化缓冲能力与优异的结构稳定性,将Si纳米颗粒封装在MSHSs中可以有效地提高其电化学性能.合理的结构设计赋予了Si/Cr₂O₃/C三组分复合材料高的可逆容量(在100 mA g^-1的电流密度下,比容量为1351 mA h g^-1)和稳定的循环性能(在500 mA g^-1的电流密度下,循环300次后比容量保持在716 mA h g^-1).这一工作提出了一种多壳层空心结构设计的新思路,以解决硅基负极材料循环性差的瓶颈.     

壳聚糖衍生碳包覆纳米硅复合材料锂离子电池性能研究

硅负极材料因具有较高的理论容量(Li₂₂Si₅合金相对应4 200 mAh/g)、较低的工作电压(0.2～0.3 V vs Li/Li⁺)和地球上丰富的原材料储备,成为代替石墨负极的理想材料之一。但是,低电导率及在循环过程中发生剧烈体积膨胀导致电极失效问题限制了硅负极材料的进一步发展。因此,本工作通过物理法利用壳聚糖和石墨对纳米硅实现碳包覆和复合,制备壳聚糖/石墨@纳米硅复合材料(C/G@Si复合材料),对C/G@Si复合材料的结构、形貌和电化学性能进行研究。结果表明：随着石墨添加量的提高,C/G@Si复合材料的可逆比容量略微下降,循环性能和导电性能显著提高。当添加50%(质量分数)石墨时,在100 mA/g的电流密度下,C/G@Si复合材料的首次放电比容量为1 136.1 mAh/g,循环充放电100次后剩余容量保持在658.5 mAh/g,展示出优异的电化学性能,对进一步推广硅碳负极材料具有一定的参考价值。     

锂离子电池硅/碳复合负极材料的研究进展

负极理论容量最大的硅在充放电过程中,体积过度膨胀粉化导致容量衰减快,成为其作为商用负极材料的最大障碍.碳材料不仅具有一定的电化学活性,结构也较稳定,可以作为硅电极的"缓冲基体";具有高容量和优良循环性能的硅-碳复合负极材料已经成为该领域的研究热点.按照碳材料的分类,评述了Si/C复合电极材料,并初步展望了该领域的研究方向.     

一种Si/NiSi2@C复合锂离子电池负极材料的高效制备及其电化学性能

以Si粉和Ni粉为主要原材料,通过对Si粉和Ni粉的球磨处理,结合柠檬酸碳源的高温热解,制备出一种碳包覆的Si/NiSi_2@C复合材料。采用多种技术手段研究了不同Ni添加量和原位碳的引入对复合材料结构形貌及其作为锂离子电池负极材料的电化学性能的影响。结果表明,Si粉和Ni粉在球磨过程中反应生成了NiSi_2合金相,弥散分布于复合材料中。柠檬酸高温裂解碳包覆于Si/NiSi_2复合颗粒表面,为复合材料构建了良好的导电网络。NiSi_2和高温裂解碳不仅增加材料的导电性,而且缓冲了脱嵌锂过程中Si的体积膨胀,有效地提高了材料的电化学性能。由于NiSi_2的电化学嵌锂活性低,随着Ni添加量的增加,材料的首次充放电容量降低,但材料的循环稳定性有所增加。其中当Ni的添加量为5wt%的Si/NiSi_2@C复合材料首次充放电容量分别为2754和2235mAh/g,首次库伦效率超过80%,经100次循环后的容量保持为1242mAh/g,显示出良好的电化学性能。     

锂离子电池Si/C/石墨复合负极材料的电化学性能

采用热裂解方法, 热解分散于聚偏二氟乙烯溶液中的硅和石墨, 得到了具有稳定电化学循环性能的Si/C/石墨复合负极材料。透射电子显微镜观察发现, 复合材料形貌为无定型碳包裹硅颗粒的核壳结构。通过系统研究不同Si粒径和石墨含量对电极电化学性能的影响, 发现Si颗粒粒径越小复合材料电化学循环稳定性能越优越, 适当的降低石墨含量有利于电极材料剩余比容量的提高。当Si粒径为50 nm, Si与石墨质量比1:1时, 电极材料具有1741.6 mAh/g的首次放电比容量和72.5%的首次库仑效率, 60次循环后, 可逆比容量保持在820 mAh/g。热解有机物形成碳包覆的结构能有效地改善硅基类负极材料的电化学循环性能。     

锂离子电池中高容量硅铝/碳复合负极材料的制备与性能研究

锂离子电池用高容量负极材料普遍存在首次不可逆容量高、循环性能差等问题. 本文采用高温固相法制备了硅铝/碳锂离子电池负极材料, 制备出的复合负极材料的比容量远高于目前锂离子电池普遍使用的中间相碳微球, 循环寿命则优于同粒度的硅单体为活性中心的硅碳复合材料. Al引入Si/C复合材料中, 有效抑制了材料的首次嵌锂深度,且减缓了电压滞后现象. 制备的复合负极材料首次可逆容量达到600mAh/g, 首次充放电效率在85\%以上, 25次循环后容量仍保持90%以上.     

硅基锂离子电池负极材料的容量衰减及改进研究

硅材料的比容量(Li15Si4,3590mAh/g)是已商用化的石墨负极(LiC6,372mAh/g)的10倍,硅负极的商业化可有效提高单体电芯的容量,已成为当前研究热点。然而,由于硅负极材料在充放电循环时存在400%的体积膨胀,容易导致电极材料粉化开裂而从集流体上剥落,使得活性物质与活性物质、集流体之间失去电接触,同时不断形成新的固体电解质相界面膜(SEI膜),最终导致电化学性能的恶化。本研究从硅负极材料的储锂机理出发,提出硅负极材料锂化/脱锂化产生的体积膨胀效应导致的粉化开裂和SEI膜不稳定问题的最新调控方法和研究方向,为硅负极材料的研究应用提供支持。     

热解温度对锂离子电池Si/C复合负极材料性能的影响

以酚醛树脂为碳源,采用球磨-热解工艺制备了一系列Si/C复合负极材料,通过XRD、SEM、恒流充放电等测试方法,研究了热解温度对复合材料结构、形貌和电化学性能的影响。结果表明,前驱物经不同的热分解温度得到的复合负极材料,其衍射峰基本与原料硅和石墨的衍射峰相符。随着热分解温度的升高,硅颗粒的分散性得到改善,并与石墨及无定形碳层交错起来形成微孔结构,直接对复合材料的电化学性能产生较大的影响。当热分解温度为1000℃时,合成的Si/C复合负极材料综合电化学性能较好,首次充放电效率可以达到73.1%,以100mA/g放电,循环100周后容量保持率为89.7%,以200mA/g放电,循环100周后容量保持率仍可以达到87.8%。     

硅化镁还原CO2一步原位合成Si/C复合负极

硅碳(Si/C)负极被认为是高能量密度锂离子电池的首选负极材料,本文提出了一种利用Mg₂Si一步还原CO₂原位制备硅碳复合材料的新方法,研究了Ar∶CO₂混合气体积比和反应温度等关键工艺对Si/C负极材料微结构和电化学性能的影响。研究发现,该方法原位合成的Si/C颗粒尺寸为几百纳米,晶态硅和无定形碳相互交织、分布均匀。当反应温度为700℃、Ar∶CO₂=7∶1时合成的Si/C复合材料作为锂离子电池负极材料时,在0.2 A/g的电流密度下,500个循环后仍有1134 mA·h/g可逆容量。本文利用温室气体CO₂来制备储能用Si/C复合负极材料,既能实现变废为宝,同时该方法合成工艺简便,容易工业化实施,具有商业化开发的潜力。      

Si/CMK-3/PANI复合材料的制备与电化学性能研究

目的:通过介孔碳(CMK-3)和聚苯胺(PANI)协同作用,解决硅颗粒的导电性差和体积膨胀问题。方法:采用机械球磨与聚苯胺原位复合制备了Si/CMK-3/PANI复合材料。结果:该材料具有很好的电化学性能,在0.2 A·g~(-1)电流密度下初始充电容量达到3 517 mAh·g~(-1),循环94次后可逆电容量为1 202 mAh·g~(-1);在8 A·g~(-1)电流密度下可逆容量为536 mAh·g~(-1),库伦效率达到97%。结论:微观结构分析显示:硅颗粒分散在CMK-3表面,并包覆聚苯胺从而提升了硅的导电性;而且有效抑制了硅在充放电过程中的体积膨胀,同时聚苯胺包覆还可以有效防止硅颗粒从CMK-3表面脱离。     

多孔硅/硅钛合金的制备及在锂离子电池负极上的应用

以钛掺杂介孔二氧化硅SBA-15为前驱体,用镁热还原法制备多孔硅/硅钛合金复合材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和红外光谱(FT-IR)等方法对复合材料进行表征;利用恒电流充放电对复合材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能进行分析。结果表明,多孔结构为体积膨胀提供了缓冲空间,硅钛合金的存在起到支撑骨架的作用,同时一定程度上改善了负极材料的导电性,多孔硅/硅钛合金复合材料具有较好的循环稳定性,0.1C循环50圈后可逆容量为801mAh/g,倍率性能也较单质硅材料大大提高,1C倍率下放电容量为618.9mAh/g。     

锂离子电池Sn/C复合负极材料的研究进展

具有高理论比容量和低操作电压的锡及其氧化物负极材料,在当前对锂离子电池高能量密度和高功率密度的日益迫切的需求下备受关注。但其在充放电过程中的巨大体积效应导致其循环性能较差,严重阻碍了锡基负极材料的实用化。在改善循环性能的诸多方法中,结合纳米化和微观结构设计来制备纳米结构Sn/C复合负极材料是一种较好的改性思路。按照锡与碳的复合形式,可将其分为表面附着型、核壳包覆型、弥散包覆型等基本构型和其他复杂结构。本文按此分类方法,从制备工艺、微观结构、电化学性能等方面对各种Sn/C复合负极材料的研究进展进行了评述,并提出将各种基本构型相结合来制备具有多级复合纳米结构的Sn/C复合材料,同时简化制备工艺,对于其性能的进一步提升和实用化将具有重要的意义。     

优化碳质涂层以消除高性能硅阳极的电化学界面极化

有序碳和无序碳都普遍被用作硅(Si)的复合材料。但是具有不同结晶度和孔结构的碳对硅基负极电化学性能的影响仍存在争议。本工作在严格控制碳含量和表面官能团的基础上,选择沥青(Pitch)和酚醛树脂(PR)作为有序碳和无序碳的前驱体,制备了硅碳复合材料(Si@C)并系统地研究了其电化学行为。有序的晶体结构有利于复合物中的电子传输,中孔和大孔有利于锂离子的扩散。具有有序结构和小孔容的碳质涂层为Si的膨胀提供了很好的缓冲,电极在50次循环后仍保持结构完整性。然而,无序和多孔的结构降低了结构的稳定性并产生了很大的极化,这使得循环过程中体积不断膨胀,导致电化学性能较差。Si@C-Pitch在5 A g^?1下的容量是Si@C-PR的8倍,在0.5 A g^?1下100次循环后的容量保持率是Si@C-PR的1.9倍。该研究可为Si@C负极中炭材料的选择提供了理论指导。     

静电纺丝法制备Si/C复合负极材料及其性能表征

以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为高分子聚合物配体, 采用静电纺丝法制备了Si/C复合负极材料。利用PVP高温烧结形成的碳作为体积缓冲骨架, 有效地解决了硅在循环过程中的体积膨胀和粉化问题。采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的晶体结构及微观形貌进行了研究。结果表明, 材料整体呈纤维状分布, 纤维直径300 ~ 400 nm, Si粒子以“麦穗状”均匀地分布在由无定形碳构成的纤维上。电化学测试结果表明, 复合材料首次充放电的不可逆容量为294.9 mAh/g, 是由于电极与电解液界面间固态电解质(SEI)膜的形成所致。另外, 复合材料在低倍率(0.1C、0.2C和0.5C)和高倍率(1.0C和2.0C)下均具有较高的库伦效率及较好的循环稳定性。     

石墨烯桥联碳-聚乙二醇包覆的Si纳米颗粒Li离子电池复合负极材料

Si是一种很有前途的Li离子电池负极材料。为解决其巨大体积形变导致的容量衰退快、循环寿命短等问题,采用简单的搅拌和热还原,利用聚乙二醇衍生的薄碳修饰Si纳米颗粒(C-PEG@Si NPs),并通过石墨烯的桥联来制备具有多级包覆结构的石墨烯桥联C-PEG包覆的Si纳米颗粒(graphene@C-PEG@Si NPs)复合材料。利用SEM、 TEM、 X射线衍射、恒流充放电测试等一系列表征测试方法对材料结构、物相和电化学性能进行分析。C-PEG与石墨烯涂层可有效地减小Li离子储存过程中Si对电解质的暴露面积并缓解其体积膨胀。研究结果表明,相比纯Si, graphene@C-PEG@Si NPs复合材料表现出优异的电化学性能,在210 mA/g的电流密度下,经过100次循环可逆比容量仍高达1 032 mA·h/g,电极在4 200 mA/g的大电流密度下循环100次,其比容量仍保持在430 mA·h/g以上。     

基于工业废料的Si/TiN/TiSi2多相复合锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能

Si负极材料理论容量高,但其电子电导率低和脱嵌锂过程体积变化大易粉化,使其循环稳定性和倍率性能差以及高性能硅基锂离子电池负极材料成本高,这均妨碍了其大规模产业化应用.本研究提出以太阳能电池硅片切割废料Si粉和TiN粉为原材料,采用低成本的活性气体机械球磨法制备了一种高性能的Si/TiN/TiSi2多相复合负极储锂材料.研究发现,Si在H2气氛球磨过程中与部分TiN发生反应,原位生成了纳米尺度的TiSi2,TiN和新形成的TiSi2弥散于亚微米尺度的Si基体中.Si/TiN/TiSi2复合材料的电化学性能与TiN的添加量紧密相关.其中,物质的量比Si/0.2TiN的体系具有最佳的电化学性能,在300 mA·g-1电流密度下,其首次可逆容量为2394 mA·h·g-1,首次库伦效率达75.8％,经过200次循环后,容量仍保持1295 mA·h·g-1,保持率高达54％.在2.0 A·g-1电流密度下的可逆容量达到609 mA·h·g-1.机理分析表明:高导电的惰性相TiSi2和TiN弥散在Si基体中不仅有利于电极材料在充放电循环过程中的电子传输,且有效缓冲了Si在嵌脱锂过程的巨大体积变化.这是TiN添加改善硅基复合负极材料电化学性能的主要原因.     

内膨胀核-缓冲-壳结构Si/EG/C复合材料应用于高性能锂离子电池负极（英文）

本文采用球磨和喷雾干燥法,制备了类西瓜型可控内膨胀核-缓冲-壳结构Si/电化学剥离石墨烯/C(Si/EG/C)复合材料.在纳米硅和碳壳之间填充了含大量褶皱和空隙的EG,不仅缓冲了Si/EG/C颗粒内部硅的体积变化,还提供了锂离子的快速传输通道.凭借这些优势,核-缓冲-壳结构的Si/EG/C表现出优异的电化学性能.半电池中Si/EG/C负极在100次循环后相对于初始容量没有下降(834 mA h g^-1).此外,Si/EG/C//LiCoO₂全电池在500次循环后相对于初始放电容量的容量保持率接近100%.这些结果表明Si/EG/C在下一代锂离子电池中具有潜在应用前景.     

碳纤维与α-Fe_2O_3复合材料在锂离子电池负极中的应用研究进展

锂离子电池(LIBs)是目前存在的能量密度最高的二次储能电池,但是商业化的LIBs远远满足不了未来的电子能源设备需求,原因在于其负极材料石墨的理论容量只有372mAh/g。α-Fe_2O_3表现出很高的理论容量,能弥补石墨的不足。然而,其体积膨胀造成循环寿命和倍率性能差是当前面临的主要问题。碳纤维与α-Fe_2O_3复合,能够有效缓解体积膨胀,改善电化学性能。综合了碳纤维的制备方法及其在锂离子电池负极中的应用,讨论了α-Fe_2O_3在锂离子电池负极中应用面临的问题及解决方法,报道了碳纤维与α-Fe_2O_3复合材料在锂离子电池负极中应用的研究进展。     

车用动力锂离子电池纳米硅/碳负极材料的制备技术与发展

随着环境问题和能源问题的日益突出,传统汽车逐渐走向新能源化。锂离子电池具有放电电压平台高、自放电小、环境友好等优点,被认为是最有前景的新能源汽车动力之一。然而,随着人们对新能源汽车续航能力要求的逐渐提高,进一步提高汽车动力电池的能量密度成为当今社会研究的热点。目前,商业化车用动力锂离子电池的正极材料以磷酸铁锂(LiFePO_4)和三元材料(Li(Ni_xCo_yMn_(1-x-y)) O)为主,负极以石墨为主,其能量密度仅为200～300 Wh·kg~(-1)。因此,提高汽车动力电池的能量密度,研发高能量密度的正负极材料是动力电池的研究方向之一。硅具有4 200 mA h·g~(-1)的超高理论比容量,是制备车用高能量密度型锂离子电池最有前景的负极材料之一。然而,硅在充放电反应中的剧烈体积变化严重阻碍了其商业应用。硅采用合金化反应方式储存锂离子,合金化反应在提供高比容量的同时伴随着300%的体积膨胀。剧烈的体积变化导致活性物质脱落、SEI膜持续形成等问题,进而导致实际使用时电池容量的快速衰减。此外,纯硅属于半导体,本征载流子浓度很低,无法满足电极对导电性的要求。解决上述问题最常用的方法有以下三种:(1)硅的纳米化。锂离子在固体中的扩散较为困难,在外加电场作用下,锂离子在硅中的扩散速度依然很慢。通过硅纳米化的方式可以缩短锂离子从硅表面到中心的扩散距离,有效缩短电池充电时间。(2)硅/碳复合。碳材料具有良好的循环稳定性和导电性,将硅与碳复合,碳可以缓冲硅在合金化反应中剧烈的体积变化,提高整个负极的电子电导率,外层碳壳能阻止硅和电解液的直接接触,形成稳定的SEI膜。(3)微观结构设计。中空核-壳结构、3D多孔结构等特殊结构可以缓解硅的体积膨胀效应,有效抑制电极材料的脱落。研究中经常综合使用上述三种方法来制备高性能纳米硅/碳负极材料,如3D多孔纳米硅/碳材料、中空核-壳纳米硅/碳材料等。本文先阐述了硅锂合金的电化学反应机理与容量衰减的原因,以及纳米硅的制备方法,然后从表面包覆、结构制备、掺杂、MOFs改性等方面对硅/碳复合材料的常见修饰方法进行了综述,并进一步分析了中空核-壳结构、多孔结构等在提高电化学性能上的优势。最后,本文总结了纳米硅/碳作为负极材料的优点与当前遇到的问题,归纳并分析了不同包覆材料、不同包覆方法和不同离子掺杂带来的性能差异及原因,提出未来纳米硅/碳产业化道路上的关键突破点,并展望了其在纯电动汽车领域的应用前景。