锂离子电池硅基负极黏结剂研究进展

硅在自然界中储量丰富,其理论比容量高达4 200 mA∙h/g,已成为高能量密度锂离子电池负极材料的研究热点。但是Si作为负极材料也存在许多不足,最大的问题是电池充放电过程中,硅体积膨胀（高达300%）,导致Si基负极材料粉化脱落、电池容量迅速衰减,其循环性能尚难以满足实际需求。通过研究开发硅基负极专用黏结剂材料,可以有效抑制循环过程中硅的体积变化,维持硅负极结构稳定,提升电池循环性能。本文综述了近年来硅基负极黏结剂材料的研究进展,主要从合成高分子聚合物黏结剂、天然高分子聚合物黏结剂、导电高分子聚合物黏结剂三个方面进行详细归纳总结,并介绍了本课题组在硅基负极黏结剂方面的部分研究成果,期望能为将来的硅基负极专用黏结剂的研究和应用提供一些思路。     

高能量锂离子电池硅基负极黏结剂研究进展北大核心CSCD

硅材料具有较高的理论容量,被视为发展高能量锂离子电池的重要材料之一。但是硅在充放电循环中体积变化较大,会导致负极材料粉化,严重影响电池的电化学性能。黏结剂作为电极的重要组成部分,对于稳定负极结构,改善电池性能具有重要作用。总结归纳了合成类聚合物、生物类聚合物等硅基负极黏结剂的研究进展,合成类聚合物主要包括聚丙烯酸类、聚偏二氟乙烯类以及导电类黏结剂,生物类聚合物主要包括羧甲基纤维素类、海藻酸钠类以及其他生物类黏结剂。分析了选择硅基负极黏结剂的条件,包括要有极性官能团、具有一定的弹性和机械强度、化学稳定性高、最好具有一定的导电性等。极性基团可以与硅表面的羟基形成氢键,增强材料之间的黏结性能,为了更好地制约硅的体积膨胀,可以对其进行改性,使其具有一定的弹性和自愈能力;也可以选择一些导电物质,使黏结剂本身具有导电性能,可以提高电极内部导电网络的稳定性并提高活性物质的含量等。本文也为黏结剂的选择和发展提供了思路。     

生物高分子在锂离子电池硅负极中的研究进展

硅因其超高的理论比容量,有望成为下一代高性能锂离子电池的负极材料.硅在充放电过程中的剧烈体积膨胀会引起颗粒粉化、SEI膜过量生长以及活性物质失去电接触等问题,最终导致容量快速衰减.开发新型硅负极黏结剂和硅碳复合是提升硅负极性能的重要策略.生物高分子材料成本低、环境友好且富含有机官能团,非常适合用来开发低成本、高性能硅负极黏结剂,也适合作为碳前体合成硅碳复合材料.本文综述了近年来基于生物高分子的硅负极黏结剂和以生物高分子为碳前体的硅碳复合材料的研究进展.本文重点介绍了基于海藻酸钠、壳聚糖、淀粉的硅负极黏结剂,总结出生物高分子基黏结剂的主要改性方法有接枝特殊官能团、与其他聚合物共混或交联.基于这些改性方法,可分别提升黏结剂的黏附性、导电子或离子能力以及实现3D网络结构的构建.本文重点归纳了以纤维素、壳聚糖、淀粉、木质素为碳前体的硅碳复合材料,分别介绍了这些复合材料的性质、结构特点,及其对电化学性能的影响.基于以上分析,本文也指出了当前基于生物高分子的硅负极黏结剂和以生物高分子为碳前体的硅碳复合材料的不足,为其下一步发展指明了方向.     

薄膜锂离子电池负极材料的研究进展

全固态薄膜锂离子电池是锂离子电池的最新研究领域,其能量密度高、厚度薄、循环寿命长、可靠度高。薄膜化的负极材料是锂离子电池的重要组成部分,负极薄膜材料制备方法的研究取得了较大的进展,未来研究重点是低成本、低能耗、高综合电化学性能的负极薄膜材料以及可批量生产的薄膜制备技术。对薄膜化的硅负极材料、金属或合金薄膜材料、氧化物薄膜材料和复合薄膜材料近几年来的研究状况进行了综述,并对其发展前景进行了展望。     

锂离子电池Si-Ni负极材料的制备研究

采用胶体钯活化液赋予硅粉催化活性,以硫酸镍为主盐、次磷酸钠为还原剂、柠檬酸盐为络合剂实施化学复合镀,并分别考查复合镀时间、加热温度和硅粉装载量对薄膜硅负极性能的影响,找出相对最优的Si-Ni复合镀工艺条件,并对制备的Si-Ni负极材料的性能进行表征。     

锂离子电池石墨负极材料衰减机理研究

石墨负极材料因具有比容量高、价格低廉以及环境友好等特性在锂电池领域得到广泛的应用.但材料在循环过程中也显露出缺陷,如在循环过程中体积不断变化导致微裂纹、石墨化度降低、接触损失、SEI膜变化、金属锂析出、不均匀性等缺点导致其在锂电池的循环中容量衰减.本文对负极材料循环过程中容量衰减有关机理进行总结,并提出各种衰减机理的简...     

多级碳复合的大尺寸硅颗粒在锂离子电池负极中的性能北大核心CSCD

以光伏电池生产废料中的大尺寸硅颗粒(200~800 nm)为原料,水性聚氨酯(PU)和聚苯胺(PANI)作为碳源,通过液相包裹法和低温热解法制备了不同结构碳复合的硅碳负极材料(SPU与SPU#PANI),分别研究了复合碳含量、微结构与元素掺杂对负极电化学性能的影响。SPU负极中碳复合量低,首次放电比容量高达2193.6 mAh/g,但循环稳定性差。经二级碳复合后的SPU#PANI导电性提高,在多孔碳微结构支撑作用下,不仅获得了较高的放电比容量(1488.8 mAh/g),而且经100次循环后SPU#PANI放电比容量保持在756.8 mAh/g以上,表现出良好的倍率性能。研究结果表明,大尺寸硅颗粒表面复合了具备多孔结构的碳后,不仅为硅充放电过程中的膨胀提供了缓冲,也为锂离子传输提供通道,有效地提升了硅基负极的电化学性能和稳定性。本工作采用的多级碳低温热解复合方法,可为锂离子电池硅基负极产业化技术发展提供重要的借鉴。     

非金属杂原子掺杂对锂离子电池硬碳负极改性研究进展

动力型锂离子电池是当今主流的能源存储与转化器件,具备着能量密度高、循环寿命长、环境友好等特性。硬碳负极具有更大的层间距和更为丰富的孔隙结构,弥补了石墨负极电解液兼容性和低温倍率性能等方面的不足,但存在振实密度和首次库伦效率较低等缺点,整体性能较差。杂原子掺杂改性通过提高电子电导率、增强表面润湿性、赝电容贡献以及多元素共掺杂的协同作用方式有效改善了硬碳负极材料的电化学性能。本文在概述杂原子掺杂制备方法的基础上,综述了近年来针对锂离子电池硬碳负极材料杂原子掺杂改性的研究进展,包括非金属杂原子单掺杂、多原子共掺杂机理和应用,并对未来发展做出了展望。     

孔结构对软碳负极储锂性能的影响

软碳具有倍率性能好、储锂容量高、与电解液相容性好等优点,是快充型锂离子电池理想的负极材料。通过造孔处理可以进一步提高软碳的储锂能力,增加其可逆容量,但目前缺少对孔结构与其电化学性能相关性的系统性研究。因此,本论文通过对软碳前驱体材料进行优选,分别以锦州针状焦和日本JEF针状焦为原材料,制备了具有不同孔结构的软碳材料,并通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、激光拉曼光谱(Raman)及氮气等温吸附等表征手段,解析了两者微观结构的差异性。同时,采用循环伏安(CV)、恒流充放电(GCPL)、交流阻抗(EIS)及电化学滴定(GITT)等电化学分析方法,研究了孔径分布对软碳电化学性能的影响。结果表明,软碳中的微孔对其首次循环过程的不可逆容量贡献较小。当软碳中存在适量的微孔(63%)时,可以在不对其首次库仑效率及循环稳定性产生影响的情况下,增加吸附反应机制的容量贡献,并提高储锂过程的反应动力学,从而达到较高的可逆容量及倍率性能。     

钛铌氧化物用于锂离子电池负极的研究进展

钛铌氧化物(TNO)负极材料因其具有较高的比容量、安全的嵌锂电位、快速嵌锂通道和稳定的嵌锂结构已成为当前高功率、长寿命锂离子动力电池负极首选材料之一.然而,其较低的电子电导率限制了TNO负极材料高倍率性能的发挥.本文通过对近期相关研究的探讨,综述了TNO的结构特点、制备方法及改性策略,着重讨论了几种不同Ti/Nb比例材料的晶体结构及其氧化还原与插层赝电容的协同嵌锂机制,阐明其快速导锂机理;同时介绍了固相反应法、溶胶凝胶法、静电纺丝法、模板法和溶剂热法等几种TNO材料先进制备工艺及各自优势;重点分析了元素掺杂、缺陷设计以及与导电材料复合等改性方案对TNO电子传导特性的影响和对电化学性能的改善效果.最后,本文还对TNO作为负极材料在锂离子全电池和混合锂离子电容器两种储能体系中的研究现状、存在问题及应用前景进行了分析和阐述.综合分析表明,在TNO的改性方案中,元素掺杂和缺陷设计可以改变TNO的电子结构,导电材料复合结构设计可为其构建多维电子通路,而多种改性方案的迭代可明显提高TNO材料的倍率性能和循环稳定性,有望使其在高功率储能器件中获得良好应用.     

锂离子动力电池负极涂布烘箱余热回收改进

针对某锂离子动力电池公司负极涂布烘箱余热回收效率低的问题,关闭排气阀,增设表冷器,使废气中石墨通过冷凝水排除,并减少全新风输入。结果显示：送风机送风温度由45℃上升至65℃。在原有基础上,节约天然气16.04万m³/a,降低成本81.80万元/a,减少碳排放346.46 t/a。     

锂离子电池负极石墨回收处理及资源循环

新能源汽车的普及是推动绿色发展、保障能源安全的战略选择,是汽车行业碳减排的重要举措,并且对于我国实现碳中和、碳达峰的目标意义重大。锂离子动力电池作为新能源汽车的核心驱动力,其退役后的清洁处理和高效利用,关系到电动汽车行业能否实现绿色可持续发展。石墨具有可逆容量高、循环稳定性好等优点,被广泛地用于制备锂离子电池负极材料。因此,石墨负极材料的回收处理与资源循环应该引起高度重视。本文从深度净化、选择性提锂和残存电解质去除等角度,对废锂离子电池负极石墨回收处理技术进行了归纳和总结,梳理出再生石墨及其产品的资源循环利用途径,并基于全生命周期评价技术分析石墨回收技术的优缺点。最后,对锂离子电池负极石墨未来的回收处理与资源循环技术挑战和发展趋势进行展望,提出未来应着眼于厘清电池失效机理、实现全组分高效回收、坚持绿色化学新理念、拓宽高值化应用市场的四位一体发展模式。     

废锂离子电池石墨负极材料利用处理技术研究进展北大核心CSCD

电动汽车产业的快速发展对中国实现碳达峰、碳中和目标意义重大。动力电池作为电动汽车的动力来源与核心部件,其报废后的高效清洁利用处置是推动电动汽车行业可持续发展的关键。负极材料是决定动力电池电化学性能的关键因素之一,石墨因具有导电率高、可逆容量高和循环性能稳定等优点,成为当前主流商业化负极材料。相较于锂、镍和钴等高价值关键金属,石墨负极材料的回收尚未引起足够的重视,其产业化高效清洁利用技术尤为缺乏。本文在系统分析全球及我国石墨资源储量、产量和主要应用领域的基础上,综述了废锂离子电池石墨负极利用处置技术最新研究进展,着重剖析了物理和化学回收法的技术现状,并总结了再生石墨及其产品的二次利用途径。基于此,建议强化石墨负极材料高效清洁利用及无害化处置产业化技术研发,进一步拓展再生石墨及其产品的利用途径。     

锂离子电池硅基负极循环过程中的膨胀应力北大核心CSCD

研究硅基负极在充放电及循环过程中的膨胀对开发下一代高比能锂离子动力电池具有重要意义。本工作采用商业化的SiO_(x)/Graphite为负极匹配高比能镍钴锰酸锂[Li(Ni_(0.8)Mn_(0.1)Co_(0.1))O_(2),NCM811]正极,组装了60 Ah大软包电池,并对其进行循环膨胀应力、应力增长机理与膨胀应力的改善等方面的研究。结果表明SiO_(x)材料的构成为3~5 nm Si颗粒分散在无定形的SiO_(2)内部,首次充放电比容量为1840.9/1380 mAh/g,库仑效率为75%。大软包电池单次充放电膨胀应力的变化为7320 N,约为石墨负极的4倍。工作温度越高容量衰减越快,衰减到70%SOH时,25、45和60℃对应的循环次数分别为980、850和500次,对应的最大膨胀应力分别为25107、25490、23667 N。此外,机理分析发现电池循环膨胀应力的增长和容量衰减之间为线性相关,CP(cross section polisher)-SEM分析发现膨胀应力的增加主要来自于SiO_(x)颗粒表面的破裂及副反应导致的SEI(solid electrolyte interphase)增厚。通过测定缓冲垫压缩曲线的方法筛选了合适的聚氨酯类缓冲垫,验证对循环无影响,但可以显著改善膨胀应力的增加,膨胀应力降低50%,这些结果将为更好地应用高比容量的硅基负极材料奠定基础。     

锂离子电池Al2O3-SiO/C负极材料的制备和电化学性能CSCD

本文首先以SiO、沥青为原料,制备了SiO/C复合材料.然后以SiO/C复合材料,硝酸铝,氨水,尿素为原料,利用水浴加热和高温热处理的方法,制备出了Al2O3-SiO/C复合材料.采用激光粒度分析、比表面积测试仪、XRD、SEM对样品进行了物相结构分析和微现形貌的表征测试.电化学测试表明:加入尿素的A12O3-SiO/C复合材料具有最佳电化学性能,首次效率高达74.81％,充电比容量为1436.4mA·h/g,表现了优异的电化学性能.     

锂离子电池补锂技术

锂离子电池在化成过程中,负极SEI膜的形成会消耗大量活性锂,特别是在添加部分高容量硅基负极材料的情况下,导致电池首周库仑效率和电池容量低.补充活性锂是解决这一问题的有效手段,目前已报道的补充活性锂的途径很多,主要是负极补锂和正极极补锂两大类.负极补锂包括金属锂物理混合锂化,如在负极中添加金属锂粉或在极片表面辊压金属锂箔...