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。     

源于溪木贼的高性能锂离子电池三维多孔生物质硅/碳复合负极材料

锂离子电池硅基负极材料的理论比容量比传统石墨材料高10倍, 是最有前途的锂离子电池负极材料之一。然而硅基纳米材料的制备工艺复杂、成本高昂, 严重限制了锂离子电池硅负极的商业应用。本工作采用溪木贼为原料, 通过深度还原、浅度氧化和碳包覆工艺制备了三维多孔生物质硅/碳复合材料(多孔3D-bio-Si/C)。三维多孔结构不仅有利于Li⁺的快速传输, 而且提供足够的空隙缓解在脱-嵌锂过程中发生的体积变化。得益于三维结构中大量的孔隙和高强度的外部碳层, 多孔3D-bio-Si/C制备的电极表现出优异的电化学性能。当电流密度为1 A/g时, 多孔3D-bio-Si/C的可逆容量为1243.2 mAh/g, 循环400次后仍可保持933.4 mAh/g, 容量保持率高达89%。利用溪木贼作为生物质硅源制备高性能硅基负极材料, 实现了低成本、可规模化、绿色和可持续的合成路线, 有望为Si基锂离子电池负极材料的商业应用打下基础。     

蜂窝状三维碳材料的制备及其在锂硫电池中的应用研究

采用高温热解将Hummers法制备的氧化石墨(GO)还原并与多孔碳(DK)复合制得石墨烯-多孔碳(RE-RGO-DK),再利用化学法制得石墨烯-多孔碳/硫(RE-RGO-DK/S)正极复合材料。结果表明,该复合材料为蜂窝状形貌和笼状结构的无定形碳,表面被石墨烯覆盖。电化学性能测试结果显示,RE-RGO-DK/S首次放电比容量为1132mAh/g,50次充放电循环后比容量仍能保持640mAh/g,表现出良好的循环性能。     

硅/石墨烯/碳复合材料的制备及其储锂性能研究

通过氧化、PDDA-PSS-PDDA改性、包覆石墨烯、复合对苯二胺、800℃碳化,从而制得硅/石墨烯/碳复合材料,并对其形貌及性能进行了研究。结果表明,石墨烯含量为200mL时,制备的复合材料作为锂离子电池负极材料表现出良好的电化学性能,首次可逆充电比容量为957.2mAh/g,循环100次后,比容量可稳定在761.0mAh/g。     

具有石墨碳骨架结构的硅碳负极材料的制备与电化学性能研究

硅碳材料作为锂离子电池负极材料具有广阔地发展前景。利用水热法和高温碳化法制备了蔗糖碳/硅复合材料(SC/Si),并在此基础上与石墨复合制备出具有石墨导电骨架结构的蔗糖碳/硅-石墨复合材料(SC/Si-Gr),并探究其作为锂离子电池负极材料电化学和电池性能。结果表明，蔗糖碳均匀包覆在纳米硅表面，形成的蔗糖碳/硅复合材料的电化学性能和电池性能随着蔗糖碳含量增加而提高。随着石墨的引入，构建的SC/Si-Gr三元复合材料的电化学性能得到进一步提升。当蔗糖：硅：石墨投料质量比为1∶1∶0.5时，形成的SC/Si-Gr(1∶1∶0.5)复合材料，在电流密度为0.1 A/g条件下，第三圈稳定之后的放电比容量为1 005.1 mAh/g;循环100圈之后放电比容量为819 mAh/g,充放电库伦效率保持在98%左右。在1 A/g大电流密度下，平均放电比容量为437.91 mAh/g。这归功于石墨的加入形成有效的导电骨架结构，提高了首次循环库伦效率，加速锂离子的传输速率，使蔗糖碳/硅-石墨复合材料呈现出良好的循环稳定性和充放电倍率性能。     

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.     

基于海藻酸钠交联的NiO/C复合材料制备及其储锂性能

NiO作为过渡金属氧化物代表,具有能量密度较高、成本低的优点,在锂离子电池负极材料的应用中引起了广泛关注。通过海藻酸钠与金属离子的自主交联反应,以及碳化、氧化过程,制备了低成本的多孔纳米NiO/C复合材料。得到的复合材料中,NiO纳米颗粒分散均匀且被石墨化碳层包覆,并嵌入多孔相互连通的碳基体中,在提升复合材料整体导电性的同时抑制了活性材料在电化学反应中的体积膨胀。将其用作锂离子电池负极材料时,NiO/C复合材料在0.1,1 A/g的电流密度下分别具有608.2,307.2 mAh/g的比容量,并且在0.1 A/g电流密度下经过100圈循环后仍保持448 mAh/g的比容量,显示出优良的循环稳定性。优良的电化学性能充分显示出NiO/C复合材料在锂离子电池负极材料中的应用潜能。     

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。     

锂离子电池用聚萘负极材料的制备及电化学性能

采用3,4,9,10-二萘嵌苯四酸二酐(PTCTA)为原料,经高温自由基聚合、气相沉积、脱氢、石墨化工艺制得锂离子电池用聚萘(PPN)负极材料。通过X射线衍射、扫描电子显微镜、激光显微拉曼光谱等检测技术对PPN负极材料的结构和表面形貌进行了分析与表征,研究了PPN作为锂离子电池负极材料的电化学行为。结果表明,PPN负极材料具有类似石墨的多片层结构,电化学测试表明,PPN负极材料具有良好的循环稳定性和倍率性能;在50mA/g电流密度下,PPN负极材料首次放电比容量为368.4mAh/g,经过200圈循环之后,PPN负极材料的放电比容量仍保持在300.3mAh/g。结果显示PPN适用于做锂离子电池负极材料。     

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。     

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。     

Porous doped silicon nanowires for lithium ion battery anode with long cycle life

Porous silicon nanowires have been well studied for various applications; however, there are only very limited reports on porous silicon nanowires used for energy storage. Here, we report both experimental and theoretical studies of porous doped silicon nanowires synthesized by direct etching of boron-doped silicon wafers. When using alginate as a binder, porous silicon nanowires exhibited superior electrochemical performance and long cycle life as anode material in a lithium ion battery. Even after 250 cycles, the capacity remains stable above 2000, 1600, and 1100 mAh/g at current rates of 2, 4, and 18 A/g, respectively, demonstrating high structure stability due to the high porosity and electron conductivity of the porous silicon nanowires. A mathematic model coupling the lithium ion diffusion and the strain induced by lithium intercalation was employed to study the effect of porosity and pore size on the structure stability. Simulation shows silicon with high porosity and large pore size help to stabilize the structure during charge/discharge cycles.     

多孔碳纳米管纸负载中空硅微球作为阳极的高容量锂硅电池

为提高硅基锂离子电池的电化学性能,制备了一种多微孔结构的集流体。以纸纤维为基体,多壁碳纳米管（MWCNTs）为导电剂,制得MWCNTs/纸纤维复合多孔导电纸代替铜箔作为负极集流体。MWCNTs负载中空Si微球复合材料作为负极活性材料。FESEM分析显示,中空Si-MWCNTs复合活性物质均匀分布在MWCNTs构建的三维导电网络的孔隙中,从而保证了材料的结构稳定性和化学稳定性。所制备的中空Si-MWCNTs/纸纤维复合锂离子电池具有良好的循环稳定性和较高的比容量,同时具有可逆性。在0.02 C的电流密度下,循环30次后其比容量稳定在1 300 mAh/g。在3 C的大电流密度下,比容量仍可稳定保持在330 mAh/g。恢复0.25 C充放电后,容量恢复为1 150 mAh/g。     

Three-dimensional metal scaffold supported bicontinuous silicon battery anodes

Silicon-based lithium ion battery anodes are attracting significant attention because of silicon's exceptionally high lithium capacity. However, silicon's large volume change during cycling generally leads to anode pulverization unless the silicon is dispersed throughout a matrix in nanoparticulate form. Because pulverization results in a loss of electric connectivity, the reversible capacity of most silicon anodes dramatically decays within a few cycles. Here we report a three-dimensional (3D) bicontinuous silicon anode formed by depositing a layer of silicon on the surface of a colloidal crystal templated porous nickel metal scaffold, which maintains electrical connectivity during cycling due to the scaffold. The porous metal framework serves to both impart electrical conductivity to the anode and accommodate the large volume change of silicon upon lithiation and delithiation. The initial capacity of the bicontinuous silicon anode is 3568 (silicon basis) and 1450 mAh g(-1) (including the metal framework) at 0.05C. After 100 cycles at 0.3C, 85% of the capacity remains. Compared to a foil-supported silicon film, the 3D bicontinuous silicon anode exhibits significantly improved mechanical stability and cycleability.     

无黏结剂柔性Si/CNT/纤维素复合阳极及其电化学性能

硅/碳复合材料作为最具潜力的下一代阳极材料,受到广泛关注。为减少硅巨大膨胀所产生的应力,避免硅纳米颗粒的粉化,提高硅基锂离子电池的电化学性能,制备了一种多微孔结构的多壁碳纳米管(MWCNTs)纸,嵌入纳米硅制得Si/MWCNTs/纤维素复合柔性锂离子电池阳极。FESEM显示,纳米硅均匀地嵌入在MWCNTs构建的三维导电网络中,纳米硅和导电载体具有良好的接触,使得界面电阻大幅下降,同时纳米硅在电池充放电过程中具有足够的膨胀空间,保证了材料的结构稳定性和化学稳定性。电化学检测显示,其首次放电比容量达到2024 mAh/g,循环30次后比容量维持在850 mAh/g,展示出良好的循环稳定性和较高的比容量。同时,其制作工艺相比传统涂敷类阳极得以简化,可操作性高,易于实现产业化。     

碳纳米管纸/纳米硅复合电极的锂离子电池性能

采用纳米硅和多壁碳纳米管(MWCNTs)复合材料作为活性材料,以纸纤维为基体,MWCNTs为导电剂制得的MWCNTs导电纸代替铜箔集流体应用于硅基锂离子电池。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、恒流放电测试、电化学阻抗对复合材料的形貌和电化学性能进行分析。结果表明,采用MWCNTs导电纸-纳米硅复合的锂离子电池在80mA/g的电流密度下,循环50次后比容量达到约1000mAh/g,在2000mA/g大电流密度下仍保持好的循环稳定性。     

煤基球形多孔碳用于锂离子电池负极材料的性能研

因具有较短的锂离子扩散路径、大的比表面积等优势, 球形碳材料在锂离子电池负极材料中展露出良好的应用前景。研究以新疆库车产煤为原料, 采用电弧放电法及化学活化法制备出了具有多孔结构的煤基球形碳。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)、氮气吸脱附法和恒电流充放电等测试手段对材料结构、形貌和电化学性能进行了表征。结果表明, 在100 mA/g的电流密度下, 煤基球形多孔碳的首次放电比容量可达到1188.9 mAh/g, 远高于商业石墨负极372 mAh/g的理论比容量。此外, 该材料还表现出了良好的循环稳定性, 经历200圈循环后的放电比容量为844.9 mAh/g。煤基球形多孔碳优异的电化学性能得益于活化过程所产生的分级孔道结构能为锂离子提供更多储存空间, 从而提高了电极的容量及循环稳定性。     

Porous silicon based negative electrodes for lithium ion batteries

Various structures of macroporous silicon intended for the fabrication of lithium ion battery anodes have been studied. Macroporous membranes were prepared by the photoelectrochemical etching of n-type silicon wafers possessing various resistances, followed by the removal of the substrate. The porosity was increased via additional oxidation with the subsequent etching of oxide. The electric contacts on the membrane were fabricated by depositing copper with a titanium sublayer and soldering the structure to a supporting molybdenum disk. The electrochemical characteristics of anodes were studied in a cell with a lithium counterelectrode. These measurements showed that the obtained porous silicon electrodes possess a high capacity for lithium insertion (up to 50 mAh/cm²) and admit more than 20 charge/discharge cycles.     

Graphene enhances Li storage capacity of porous single-crystalline silicon nanowires

We demonstrated that graphene significantly enhances the reversible capacity of porous silicon nanowires used as the anode in Li-ion batteries. We prepared our experimental nanomaterials, viz., graphene and porous single-crystalline silicon nanowires, respectively, using a liquid-phase graphite exfoliation method and an electroless HF/AgNO3 etching process. The Si porous nanowire/graphene electrode realized a charge capacity of 2470 mAh g(-1) that is much higher than the 1256 mAh g(-1) of porous Si nanowire/C-black electrode and 6.6 times the theoretical capacity of commercial graphite. This relatively high capacity could originate from the favorable charge-transportation characteristics of the combination of graphene with the porous Si 1D nanostructure.     

碳纤维支撑柔性碳硫复合电极的制备、物性及电池性能研究

锂硫电池作为极具潜力的下一代二次电池受到广泛关注。然而, 对于含硫正极的研究仍处于实验探索阶段, 商业化的碳纤维毡应用于硫正极鲜有报道。本研究制备了锂硫电池用碳纤维支撑柔性碳硫复合电极, 并对其进行了物性及电池性能的研究。结果发现, 碳纤维毡具有多孔隙的三维网络结构, 与具有微孔结构的多孔碳共同构成正极支撑体, 能够物理固定正极材料, 有助于提高电池的能量密度和锂硫正极的导电性, 界面电阻由原来的97.9 Ω降到22.6 Ω。进一步研究表明, 碳纤维毡做集流体的样品在首圈0.05C倍率下, 具有996.7 mAh/g的放电比容量, 在2C高倍率下循环140圈后仍保持666.7 mAh/g的放电比容量, 而铝箔样品仅为772.9和471.6 mAh/g。同时, 本研究使用的LA132水系粘结剂、super-P导电剂价格低廉, 球磨制备工艺可规模化生产、安全环保, 可以为锂硫电池工业化生产和应用提供参考。