锂离子电池硅基负极材料研究现状与发展趋势

硅基负极材料因具有高电化学容量是一种极具发展前景的锂离子电池负极材料.评述单质硅、硅-金属合金、硅-碳复合材料以及其他硅基复合材料作为锂离子二次电池负极材料的最新研究成果,分析锂离子电池硅负极材料存在问题,探讨硅基负极材料的合成、制备工艺以及未来硅基材料的研究方向和应用前景.分析结果表明,通过硅的纳米化、无定形化、合金化及复合化等技术手段,实现硅基负极材料同时兼备高容量、长寿命、高库伦效率和倍率性能,是未来的主要发展方向.     

锂离子电池硅基负极材料表面和界面调控的研究进展

在锂离子电池众多负极材料中，硅具有超高的理论比容量（4 200 mA·h/g）和较低的嵌锂电位（约为0.4 V vs Li/Li+），是制备高能量、高功率锂离子电池理想的负极材料。然而，在嵌/脱锂过程中，硅负极巨大的体积变化造成电极材料严重的结构破坏和快速的容量衰减。梳理了硅作为锂离子电池负极材料的储锂机制、结构演变、界面反应和动力学行为等方面的研究，总结了表面和界面改性在锂离子电池硅基负极材料中应用的最新进展，阐述内容主要包括硅电极的表面修饰、电解液的优化和黏结剂的开发等，并对硅负极材料表面和界面改性进行了展望。     

锂离子电池高性能硅基负极材料研究进展

硅基材料因其具有较高的理论比容量被认为是具有广阔前景的锂离子电池负极材料,在近年来得到广泛的研究;但是硅较差的电子导电性和在充放电过程中的巨大的体积膨胀问题,导致其具有较差的循环性能,阻碍了它的商业化应用。本文从介绍硅材料储锂机制及失效原理出发,重点综述了近年来对硅基材料的改性研究,主要包括对硅材料的纳米化及维度设计、硅复合材料的制备及其结构设计、新型粘结剂与电解液/电解液添加剂的研究和预锂化技术的研究。最后文章对硅基负极材料的结构设计、性能改进研究进行了总结,并展望了高容量硅基负极材料在高比能锂电池等领域的应用前景。     

锂离子电池硅基负极材料预锂化技术的研究进展

硅基负极材料由于具有比容量高、安全及商业发展前景好等优点而受到业界广泛关注,但锂离子电池硅基负极存在循环寿命短和首次库仑效率低等问题,采用硅基负极预锂化技术可有效改善这类问题。综述硅基负极材料预锂化技术的最新研究进展,着重阐述稳定的金属锂粉末、电化学预锂化、添加剂预锂化及机械预锂化等技术,并展望未来硅基负极预锂化的研究方向。     

稻壳制备锂离子电池多孔硅负极材料

以稻壳为原料,采用镁热还原方法制备孔隙和孔壁主要为纳米尺度的多孔硅材料.作为锂离子电池负极材料,在30 m A/g恒流充放下,多孔硅具有首次充电容量为2 387 m Ah/g,50次充放循环后,充电容量保持率为23.3%.考虑到稻壳的资源丰富、廉价易得和可持续利用特点,镁热还原工艺的低成本性以及稻壳制备的多孔硅具有较好的电化学性能,此法有望制备实用的优质锂离子电池多孔硅负极材料.     

高能球磨在锂离子电池负极储锂材料改性中的应用进展

近年来, 随着便携式电子电气设备的发展, 人们对锂离子电池负极的储锂性能和循环稳定性等有了更高的 要求。石墨作为目前商业化程度最高的锂离子电池负极材料, 有着成本低、性能稳定、环境友好等优点, 但同时也存 在比容量低、石墨片层剥落削减使用寿命等缺点, 不足以满足新一代高能量新能源设备的要求。为解决这一问题, 研究学者们在对以石墨为主导的负极进行改性的同时, 也探索着硅基、锡基、过渡态金属化合物等大容量、高性能 材料在锂离子电池负极的应用。在高能球磨法的基础上, 综述其在锂离子电池负极储锂材料改性中的应用研究进 展, 提出高能球磨法在改性锂离子电池负极储锂材料领域的应用建议, 并对锂离子电池负极改性技术的发展趋势进 行展望。     

镍碳修饰的硅亚微米线用于高效能锂离子电池负极

电动汽车、便携式电子设备和储能设备等行业的快速发展,对高能量密度锂离子电池的需求 日益迫切．硅材料由于具有最高的理论储锂容量,目前成为锂离子电池负极材料的研究热点．通过 温和的溶液刻蚀工艺并结合热解还原法制备了镍、碳修饰的亚微米一维结构硅负极材料,并对其进 行结构分析和电化学研究．结果表明：制备所得的硅亚微米线表面实现了镍纳米粒子的均匀修饰和 碳材料的包覆,在１Ｃ的电流密度下表现出９００ｍＡｈ／ｇ的可逆储锂容量．一维结构设计与镍、碳修 饰可以提升硅材料的循环与倍率性能,为高性能锂离子电池负极材料的制备提供可能．     

锂离子电池硅电极新型粘合剂的研究进展

硅(Si)作为目前理论容量最高的一种负极材料,被认为是最有前景的一种锂离子电池负极材料,但较大的体积膨胀和较差的导电性限制了其在锂离子电池当中的应用。在硅电极体系中,选择一种合适的粘合剂对于硅电极的机械完整性和电子完整性起着至关重要的作用。总结了硅负极材料的容量衰减机理,介绍了粘合剂结构的不同对硅电极性能的影响以及新型的导电粘合剂在硅电极方面的应用。     

锂离子电池硅/石墨复合负极材料的制备及性能研究

锂离子电池发展的重要目标之一是高容量的负极材料,而硅材料以其高达4 200 mAh/g的理论比容量成为研究热点;但是硅负极材料有较大的体积效应,从而造成其电化学循环性能的快速下降,限制了其在生产中的应用.本研究以纳米硅与石墨不同比例的掺杂,通过高能球磨与退火处理,表明当硅与石墨比例为2：1时,首次放电比容量可达2 136.4 mAh/g,同时首次的充放电效率为85.5%; 经过35次循环之后,其可逆容量的保持率85.3%,具有良好的电化学性能.硅/石墨复合材料良好的电化学性能,使其在锂离子电池负极材料的生产及应用中具有重要研究价值.     

锂离子电池锡合金负极薄膜材料制备及性能

采用化学沉积的方法在铜箔上制备锡薄膜,通过改变沉积条件,制得三种不同厚度和结构的锡合金负极材料.运用XRD、SEM、充放电和循环伏安等多种方法对电极结构和性能进行表征和研究.研究表明:沉积时间为10min的锡薄膜负极材料具有四方晶系结构,其表面由尺寸在4μm左右的合金颗粒构成,颗粒有大小均匀的孔洞结构,增加了电极的比表面积.该锡薄膜电极具有较高的容量,在0.01～1.00V电压区间内,电极的首次放电容量为885.7mAh/g,循环100周后放电容量仍保持在460mAh/g以上.     

使用反应分子动力学模拟碳化硅的原子去除机理

为了分析羟基自由基水溶液中金刚石抛光碳化硅过程中材料原子级别的去除机理,采用反应分子动力学对抛光过程进行了模拟.结果表明:羟基自由基和水分子吸附在碳化硅表面,浸入到碳化硅表面并与Si原子和C原子成键,实现碳化硅基体的氧化;在磨粒机械作用下,工件的Si原子主要以SiO、SiO₂或Si链的形式去除,C原子主要以CO、CO₂形式去除;抛光压力越大,工件表面吸附的原子数越多,工件去除的原子越多;抛光速度过大,基体与溶液反应时间缩短,导致工件原子去除量小,表明从工件上去除原子是化学反应和机械作用的结果.     

Fabrication and Microstructure Evolution of Niobium-Niobium Silicide Composites by Spark Plasma Sintering

By using Nb and Si elemental powders as raw materials,dense Nb/Nb 5 Si 3 composites were successfully fabricated by a spark plasma sintering(SPS)technology.The microstructure of the fabricated composites was analyzed by OM,SEM,XRD and EPMA;the microstructure evolution of the composites was also investigated by a quenching test.The experimental results show that the prepared composites consist of Nb and Nb 5 Si 3 phases;Nb particle uniformly distributes in the in-situ synthesized Nb5 Si3 matrix.During the SPS process,an interfacial reaction occurs between Nb and Si particles to synthesize Nb 5 Si 3 until reactant silicon has been completely depleted.     

太阳能级硅粉在等离子体中纯化研究

给出了本研究中所采用工业硅的要求和太阳电池功率高达14%的P型硅材料中单一杂质的阀值。针对太阳能级硅的纯化要求和工业硅的特性,提出了等离子体对硅粒“刻蚀提纯”的新概念。增加鞘层厚度将使硅粉浸泡于高动能离子中的几率增加,钝化效应消失从而达到提高纯化速率的目的。所研制的新型纯化系统能够满足硅粒自旋、长沉降时间和重复纯化的条件,所给出的工艺参数能满足鞘层宽、离子浓度高的要求。实验结果显示这种新的提纯方法可望用于太阳能级硅的制备。     

多发射极Si/SiGe异质结晶体管

在硅衬底上外延生长一层Si_(1-x)Ge_x合金材料,它的带隙随组分x的增加而变窄,如果用Si_(1-x)Ge_x窄带材料作晶体管基区,利用硅作为集电极和发射极构成双极晶体管,就可以很容易实现器件的高频、高速、大功率。设计了一种以Si/Si_(1-x)Ge_x/Si为纵向结构,梳状10指发射区为横向结构的异质结晶体管,利用双台面工艺方法制造出具有如下参数的器件:电流增益β=26、V_(CB)=7V、I_(CM)≥180mA、f_T≤ 2GHz,实现了高频大功率,充分显示出Si/Si_(1-x)Ge_x材料的优越性。     

真空感应熔炼工艺在太阳能级多晶硅制备中的应用探索

为了探讨真空感应熔炼工艺在冶金物理法制备太阳能级多晶硅生产中的应用效果,利用真空熔炼设备,对硅料在不同真空度条件下进行制备试验,对比试验前后原料和成品中的P元素以及几种金属元素的化验结果可知,在冶金物理法制备太阳能级多晶硅中真空感应熔炼工艺完全可以起到降低杂质含量,提高硅晶体纯度的作用．     

无铅HSi76—3．2硅黄铜组织性能的研究

普通黄铜具有优良的机械性能、耐蚀性能、导电导热性能及加工性能,从而得到广泛应用．普通黄铜是合铅的铜锌合金,由于铅可损害人体骨髓造血系统和神经系统,研究无铅的环保型黄铜成为现时的主要课题．主要研究了无铅黄铜H5i76—3．2的组织和性能,对H5i76—3．2硅黄铜进行了去应力退火和再结晶退火处理,测试了不同状态HSi76—3．2硅黄铜的力学性能和切削性能,对其进行了光学显微组织观察、断口形貌、能谱等分析．结果表明,HSi76—3．2硅黄铜显微组织由深色相Cu5Si＋Cu7Zn3（a）和浅色相Cu5Si＋Cu5Zn4（β）及第三相7相或Mg、Si、Ca、K、Al的氧化物等组成,再结晶退火后深色相Cu。Si＋Cu,Zn。（a）中出现大量的孪晶组织．显微组织中深黑色第三相具有高硬度相,是保证HSi76—3．2材料有良好切削性能的主要因素．HSi76—3．2经不同处理后的力学性能有较大的变化,其断裂形式均为韧性断裂．HSi76—3．2是一种良好的普通黄铜的替代品．     

Design,preparation, and structure of particle preforms for Si3N4（p）/Si3N4 radome composites prepared using chemical vapor infiltration process

A particle preform was designed and prepared by conglomerating and cold-pressed process, which was condensed by chemical vapor infiltration （CVI） process to fabricate silicon nitride particles reinforced silicon nitride composites. The conglomerations are of almost sphericity after conglomerated. There are large pores among the conglomerations and small pores within themselves in the preform according to the design and the test of pore size distribution. The pore size of the preform is characterized by a double-peak distribution. The pore size distribution is influenced by conglomeration size. Large pores among the conglomerations still exist after infiltrated Si3N4 matrix. The conglomerations, however, are very compact. The CVI Si3N4 looks like cauliflowershaped structure. 2008 University of Science and Technology Beijing. All rights reserved.     

Pressureless infiltration of Si3N4 preforms with an Al-2wt%Mg alloy

The pressureless infiltration process to synthesize a silicon nitride composite was investigated. An Al-2wt%Mg alloy was infiltrated into silicon nitride preforms in the atmosphere of nitrogen. It is possible to infiltrate the Al-2wt%Mg alloy in silicon nitride preforms, The growth of the composite with useful thickness was facilitated by the presence of magnesium powder at the interface and by flowing nitrogen. The microstructure of the Si3N4-Al composite has been characterized using scanning electron microscope. During the infiltration of Si3N4 preforms, Si3N4 reacted with aluminium to form silicon and AIN. The silicon produced during the growth consumed in the formation of MgSiAIO, MgSiAlN and Al3.27Si0.47 type phases. The growth of the composite was found to proceed in two ways, depending on the oxide content in the initial preforms, First, less oxide content preforms gave rise to MgAlSiO and MgAlSiN type phases after infiltration. Second, more oxide content preforms gave rise to AlN-Al2O3 solid solution phase （AlON）, The AlON phase was only present in the composite, containing 10% aluminium in the silicon nitride preforms before infiltration.     

Effect of P/M value on the preforms and microstructures of spray formed 70Si30Al alloy

A novel 70Si30Al alloy was prepared by the spray forming process for electronic packaging materials. The effect of the ratio of atomization pressure to metal melt mass flux rate （P/M） on the preforms and microstructures of the spray-deposited 70Si30Al alloy was studied. The results indicate that the PIM value has a considerable influence on the formation of the preforms and the optimal value is in the range of 0.209-0.231 MPa/（kg.min^-1）. The microstructure of the spray formed 70Si30AI alloy is fine and homogenous. The primary silicon phases distributing in the aluminum matrix evenly are fine and irregular. The aluminum matrix is divided into two groups： supersaturated α-Al phase or α-Al phase and Al-Si pseudoeutectic phase or Al-Si eutectic phase.