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.     

锂离子电池多孔硅/碳复合负极材料的研究

以商业化多晶硅粉为原料, 采用金属银催化剂诱导化学腐蚀的方法制得三维多孔硅材料。通过优化腐蚀条件, 得到孔径约为130 nm, 比表面为4.85 m²/g的多孔硅材料。将多孔硅和PAN溶液混合球磨并经高温烧结后在多孔硅表面包覆上一层致密的无定形碳膜, 从而制得多孔硅/碳复合材料作为锂离子电池的负极材料。3D多孔硅结构可以缓解电化学嵌/脱锂过程中材料的体积效应, 无定形碳膜层可有效改善复合材料的导电性能。电化学性能测试表明, 该多孔硅/碳复合负极材料电池在0.4 A/g的恒电流下, 首次放电容量3345 mAh/g, 首次循环库伦效率85.8%, 循环55次后容量仍保持有1645 mAh/g。并且在4 A/g的倍率下, 容量仍维持有1174 mAh/g。该方法原料成本低廉, 可规模化生产。     

沥青基软碳材料对硅负极锂离子电池性能的影响沥青基软碳材料对硅负极锂离子电池性能的影响

以沥青为软碳原料（质量分数为10%、20%、30%、50%）,通过高温热解法成功合成了不同软碳含量的碳/硅（C/Si）复合材料。实验结果表明,软碳材料的引入能有效抑制Si基材料的体积效应和提高其电子电导率,从而在极大的改善负极材料循环性能的同时,还提高了其比容量。其次,通过系统研究不同C含量的C/Si复合材料性能,发现最佳的沥青加入量为20%。该条件所合成样品具有高达2356.7 mAhg-1的首次充电比容量和86.6%的库伦效率。经过50次循环后依然有726.4 mAhg-1的充电比容量,远高于工业化石墨负极材料,应用前景广阔。本研究还详细研究和讨论了软碳材料的形成机制以及不同软碳含量对材料形貌的影响。      

锂离子电池用硅/石墨/碳复合负极材料的电化学性能

采用湿法混料及高温热解法制备了锂离子电池用硅/石墨/碳复合负极材料,并研究了不同配方的复合材料结构及电化学性能。研究发现,硅含量为20%(质量分数)时,复合材料首次可逆容量为865mAh/g,循环30次后仍为757mAh/g,容量保持率可达88%,大大改善了硅基材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能。     

多孔硅/石墨烯锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能研究

以Al-20Si合金为原料制备多孔硅粉体材料和多孔硅/石墨烯复合材料,并将其用作锂离子电池的负极材料。采用盐酸浸蚀合金的方法制备多孔硅粉体材料,通过借助超声向硅基材料中分别添加不同含量的石墨烯(0,5%,10%,15%,20%,25%)制备多孔硅/石墨烯复合材料。实验结果显示,在多孔硅基材料中添加10%石墨烯的电化学性能最好,首次充放电容量为2 552 mAh/g,最后稳定在540 mAh/g。首次充放电效率为78.5%,循环至第5次后,后续充放电过程中效率维持在98%左右。石墨烯添加量超过10%后。随着添加量的增加性能逐渐下降。石墨烯的加入会使充放电比容量有所降低,但会使硅的循环稳定性增加。     

锂离子电池复合负极材料研究进展

将锂离子电池材料尺寸减小到纳米尺度,可减小充放电过程中Li+迁移距离及电极材料的相对膨胀率,是一种有效提升锂离子电池性能的手段。但是,纳米化也会带来导电率低、表面副反应活性高、团聚倾向大等明显缺点。在负极活性材料中引入导电复合相,可以有效提升材料体系的导电性、储锂容量、倍率特性和循环稳定性,是解决现有技术难题的有效突破口之一。对近年锂离子电池负极材料研究方面的主要成果进行了综述,着重关注几种热点负极材料及其新型微结构的设计、实现与性能优化研究。以可控制备工艺为主线,总结了相关的研究成果。     

锂离子电池硅-碳负极材料的研究进展

硅因具有大的比容量,极有希望成为下一代锂离子电池的主要负极材料。硅基负极材料工业化需其具备较高的比容量、良好的循环性能并能够进行工业生产。综述了硅-碳复合材料的研究进展,介绍了各类硅-碳复合物的制备方法、结构和电化学性能,提出制备低成本、性能稳定的硅-碳复合物将成为硅基材料研究的主导方向。     

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。     

锂离子电池硅基负极材料的研究进展

硅负极材料具有很高的理论比容量(4200mAh/g),但充放电过程中巨大的体积变化导致其循环性能很差,同时较低的电导率以及与常规电解液的不相容性等因素限制了硅作为负极材料在锂离子电池中的应用。因此,目前大部分研究人员都致力于解决其循环性能差的问题。综述了近年来改善硅基负极材料性能的最新进展,指出了硅基材料作为锂离子电池负极材料的研究前景。     

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.     

用于锂离子电池的石墨烯及其复合负极材料的研究进展

石墨烯复合材料因具有高比表面积、高比容量、优异的导电性、显著的化学稳定性,在锂离子电池领域具有巨大的应用前景。在负极复合材料中,石墨烯不仅可以形成导电网络提升复合材料的导电性能,而且还可以缓冲材料在充放电过程中的体积效应,提高了材料的倍率性能和循环寿命,为设计大容量高稳定性的锂离子电池提供了理论保证。因此制备不同组成和结构的石墨烯复合材料是一个非常有价值的课题。对近年来国内外运用不同方法制备不同组成和结构的石墨烯复合材料的研究结果做了综合评述和展望。     

基于ZIF-8的三维网络硅碳复合材料锂离子电池性能研究

锂离子电池已广泛应用于各种便携式电子设备及新能源汽车等领域, 但随着电子设备的不断更新换代及电动汽车的快速发展, 理论比容量较低的传统石墨负极(372 mAh/g)已无法满足社会的需求。基于此, 本工作设计并制备了一种Zn基金属有机物框架(ZIF-8)衍生的三维网络状硅碳(Si@NC)复合材料用于锂离子电池性能研究。首先对纳米硅表面进行化学改性,然后在改性的硅表面原位生长ZIF-8小颗粒(Si@ZIF-8), 最后对Si@ZIF-8碳化得到Si@NC复合材料。研究表明, Si@NC复合材料的三维网络状多孔结构既可以很好地限制硅的体积膨胀, 又能极大地提升材料的电导率, 展现出稳定的循环性能和良好的倍率性能, 在5 A/g的大电流下能保持760 mAh/g的放电比容量。与商业三元正极材料组装的全电池也表现出较好的性能, 在0.4C (1C =160 mA/g)下循环50圈依然可以保持60.4%的比容量。这些研究结果说明该Si@NC复合材料具有较好的应用前景。     

用氧化、复合技术改善锂离子电池负极材料性能

综述了最近几年用氧化、复合技术改善锂离子电池负极材料性能的研究.采用氧化技术,石墨材料的表面结构改善,可逆容量增加,循环性能明显改善;直接制备使用纳米级氧化物,显示出可逆容量大及优良的循环性能和快速充放电能力.采用复合技术,可使碳材料、氧化物材料的结构、可逆容量、循环性能得到改善或提高.氧化技术和复合技术是进一步提高锂离子电池负极材料性能的有效方法.     

化学蚀刻法制备纳米硅线作为高能锂离子电池的负极

采用金属催化剂诱导化学蚀刻法首先在单晶硅片上制备出具有高长径比的纳米硅线阵列, 然后通过超声振荡法将硅线阵列破碎为纳米硅线粉体, 最后将其作为锂离子电池的负极材料, 系统研究了金属银催化剂制备过程和各向异性化学蚀刻过程对硅片表面形貌特征的影响, 发现银催化剂在蚀刻过程出现溶解/再沉积现象。通过优化AgNO₃、HF、H₂O₂等试剂的浓度, 在大面积范围内得到了高长径比的纳米硅线阵列。借助超声波的作用将硅线从硅片上切割下来, 制备成纳米硅线负极进行了充放电循环测试, 观察到标准的硅锂合金/去合金化反应平台, 前五次循环的比容量均超过1800 mAh/g。     

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。     

锂离子电池硅/碳纳米管/石墨烯自支撑负极材料研究

通过真空驱动自组装法及蒸汽处理得到结构疏松的硅/碳纳米管/石墨烯自支撑负极材料(Si/CNTs/GP)。纳米硅颗粒(50 nm)为活性物质, 均匀分布在石墨烯片层结构中间; 石墨烯作为碳基体, 通过自组装构筑形成二维导电网络; 碳纳米管(CNTs)具有超高导电性和良好的力学强度, 它通过吸附作用均匀分布在石墨烯基体上形成导电的支撑网络结构。经过蒸汽处理后, 石墨烯层间距明显增大, 层与层之间不再是紧密堆叠的结构, 而是形成一种疏松、褶皱、内部空隙丰富的片层结构。Si/CNTs/GP负极材料中丰富的内部空穴和贯穿孔洞, 提供了材料很高的比表面积, 能有效提高电解液对材料的浸润性, 极大缩短了离子传输距离。同时这些内部空穴也有效缓冲硅充放电时的体积膨胀, 提高了材料的结构稳定性和电化学性能。该负极材料在4 A/g的大电流密度下容量维持在600 mAh/g, 表现出良好的大电流循环稳定性能。     

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%。     

高性能锂电池材料Li4Ti5O12/C的制备与性能

分别以蔗糖、可溶性淀粉作为碳源，采用固相法在N2气氛中制备尖晶石结构的Li4Ti5O12/C复合正极材料，通过X射线衍射（XRD），扫描电子显微镜（SEM）分析和电化学性能测试表征了Li4Ti5O12/C的晶体结构、表面形貌和电化学性能，结果表明，碳源的加入抑制了晶粒的生长，增大了材料的比表面积，增强了材料的电化学性能，其中，碳源为可溶性淀粉时，样品在0．1C下首次放电比容量达到了164．9mAhg^-1，在2．OCT首次放电比容量可达到125．4mAhg^-1，且循环性能良好。