锂离子电池硅碳复合电极材料的研究进展

硅基材料具有超高的理论比容量,作为新一代储能材料被广泛的研究,但硅基材料电导率差、体积膨胀等问题也十分明显。近年来对硅基锂离子电池电极材料的研究十分火热,通过硅基材料复合碳材料来增强电极材料的导电性,同时特殊形貌的碳材料对硅基材料的体积膨胀也起到了一定的限制作用,从而制备出高比容量的锂离子电池,本文综述了近3年锂离子电池硅碳复合电极材料的主要研究进展。     

锂离子电池Si/C/CNT负极材料制备及电化学性能研究

由于碳包覆能有效抑制硅材料在循环过程中的体积变化,减缓颗粒粉碎和无法形成稳定SEI膜的问题,提升原材料的电化学性能,因此我们制备了一种形貌均匀的Si/C/CNT负极材料。多巴胺热解形成的碳层能有效抑制硅的体积膨胀,而在外部的碳纳米管不仅协助抑制硅体积膨胀,而且提供了电子传导的通道,从而使材料表现出优异的电化学性能。测试产物的电化学性能结果显示:在0.42 A g-1倍率下,首次放电比容量分别为1500 m Ah g-1,经过100次循环后放电比容量为978 m Ah g-1,其容量保持率为65.2%。     

锂离子电池核壳结构硅基负极材料的研究进展

硅作为锂离子电池负极材料的理论比容量大约是商业化石墨负极的10倍,但是由于其巨大的体积效应以及由此引发了一系列问题,特别是活性材料硅从集流体脱落而失活与固相电解质层(SEI)膜的不断破坏与重建,导致硅电极材料在充放电循环中稳定性较差。为了减缓硅材料体积效应的不利影响,研究人员基于硅基材料的结构设计开展了大量工作。总结了核壳结构硅基负极材料的相关研究,对比了不同结构设计的优缺点并分析了构成材料对于硅在锂化过程中体积变化的影响,进而讨论了一些具有代表性的硅核壳结构的制备方法、电化学性能。最后,对硅负极材料的核壳结构设计存在的问题进行了分析并提出了硅基负极材料未来的发展方向。     

锂离子电池多孔硅基复合负极材料的研究进展

概述了多孔硅基负极材料在锂离子电池中的应用,重点介绍了材料结构和复合方式对其电化学性能的影响;分析了导致其循环性能降低的主要原因,指出控制电池循环过程中硅基材料体积变化、抑制SEI膜的增加是改善硅基负极材料循环性能的重要途径. 对多孔硅基复合负极材料的研究进行了展望,提出在纳米化和复合化的基础上,设计特殊孔道结构、制备多孔的硅/碳复合材料是推进硅基负极材料应用的重要研究方向.     

Si@PNC复合材料应用于高性能锂离子电池的研究

为了解决硅纳米材料在锂化过程中存在的体积膨胀(300%)和硅材料本身导电性不强的问题,通过在硅材料外部包覆一层有序含氮多孔碳(PNC)使其具有许多孔隙,为硅纳米颗粒的体积变化提供很大的壳体空间,有效地缓冲了硅的体积膨胀问题,从而可以维持电极的物理结构并保护电极。此外,包覆在硅材料表面的有序含氮多孔碳能够有效地解决硅导电性不强的问题,有序的碳层有利于锂离子的嵌入与脱出。Si@PNC(PNC包覆硅)硅碳复合材料在电流密度为1 A/g时循环350周之后电池的比容量维持在1 600 m Ah/g左右,且在循环周期内比容量相对稳定,具有相对优异的速率能力和循环稳定性。因此,有序的含氮多孔碳可以有效地解决硅材料作为锂离子电池负极材料所面临的问题。     

锂离子电池大容量硅基负极材料的研究进展

高容量锂离子电池是目前新能源电池的研究重点之一。由于硅的理论容量(4 200mAh/g)是石墨电极材料容量(372mAh/g)的十倍以上,因而成为锂离子电池负极材料的研究热点。然而,在充放电过程中,由于硅电极体积变化较大,可造成活性物质的破坏和失效,导致其循环性能变差。此外,硅的电导率较低,并且与传统电解质的相容性较差。这些缺点严重影响了硅的电化学性能,限制了其在锂离子电池领域的广泛应用。综述了锂离子电池硅基负极材料的研究进展,探讨了高性能硅基复合电极材料的制备方法。     

三维纳米材料在锂离子电池中的研究进展

基于最近的研究进展,综述了纳米球和纳米花作为锂离子电池电极的研究现状。纳米球和纳米花具有较大的比表面积、密度小及结构稳定等特点,最重要的是这类材料可以有效缓解电极材料的体积膨胀。介绍了纳米球和纳米花的制备方法、脱嵌锂机理以及在不同条件下所表现出来的优异性能,并归纳了其在锂离子电池中的具体应用和机制。就三维纳米材料在锂离子电池中的未来发展进一步展望。     

漆多糖在锂离子电池硅碳负极粘结剂中的应用研究

高比容量硅碳材料被认为是最具应用前景的锂离子电池负极材料,但充/放电过程中硅的体积膨胀效应导致电极材料易粉碎和脱落,易造成电池容量快速衰减,因此开发可靠的硅碳负极粘结剂来提高电池循环稳定性尤为重要。本文对生漆提取漆酚后的乙醇溶剂不溶性物质进行分离,得到了水溶性物质漆多糖(LPS),TG和DSC测试结果表明LPS的热稳定性良好。将LPS作为粘结剂用于硅碳电极组装锂离子半电池,测试硅碳电极的电化学性能。与商用的油性粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)和水性海藻酸钠(SA)对比发现：基于LPS的电池表现出良好的循环稳定性,200次充放电循环后比容量仍高达471.5mAh/g,远高于SA(387.7mAh/g)和PVDF(221.4mAh/g)。本工作可为开发天然产物基锂离子电池水性粘结剂提供理论基础,开拓生漆研究新亮点。     

锂离子电池硅碳负极材料研究进展

硅基材料作为锂离子电池负极具有容量高、来源广泛以及环境友好等优势,有望替代目前应用广泛的石墨负极成为下一代锂离子电池的主要负极材料。硅和碳复合构成的锂离子电池复合负极,不但解决了充放电过程中硅体积效应大和碳容量低的问题,而且综合了碳循环性好和硅容量高的特点。从材料选择、结构设计以及电极优化方面简要介绍了硅/碳复合材料的最新研究进展,并对硅碳复合负极未来发展方向进行了展望。     

锂离子电池硅基负极电解液成膜添加剂的研究进展

锂离子电池是能源储存和利用的一项关键技术,能量密度已成为现代电池发展中的一个关键指标。硅基负极由于其较高的理论比容量,得到广泛关注,但硅基材料存在严重的体积膨胀问题。功能性添加剂对电池性能有明显的改善效果,是电解液体系不可缺少的部分,具有“用量小,见效快”的特点,通过成膜添加剂形成稳定的固态电解质界面（SEI）膜进而稳定电极电解液界面,改善硅基负极电池性能。本文总结了近年来硅基负极电解液成膜添加剂的研究进展,对成膜添加剂按照官能团或元素进行分类论述,并对多组分成膜添加剂的协同作用进行了简要阐述。最后,针对目前硅基负极电解液添加剂的研究现状进行了总结,并展望了未来的研究方向。     

One-dimensional core-shell composite of AgNWs@Si@GO for high-specific capacity and high-safety anode materials of lithium-ion batteries

Si/C composite materials used for Lithium-ion battery anode, have received widespread attention owing to theirs superior energy density, long cycle life, and low self-discharge efficiency. However, the unstable solid electrolyte interface (SEI) and severe volume expansion, occurring in lithiation-delithiation of silicon materials, are major obstacles to its commercial application. Here, we proposed a silver nanowire@silicon@graphene oxide (AgNWs@Si@GO) core-shell structure by introducing one-dimensional silver nanowire into reactive silicon material through an uncomplicated polyol method. The electrochemical properties of the prepared AgNWs@Si@GO composites were well characterized as the anode of Lithium-ion batteries (LIBs). The synthesized AgNWs@Si@GO composites exhibited exceptional electrochemical performance, high specific capacity (1384.8 mA h/g at 0.2 C) and improved cycle stability. The excellent electrical conductivity of AgNWs and the outstanding flexibility of GO makes AgNWs@Si@GO core-shell structure efficaciously alleviate the volume expansion of silicon-based materials in the process of lithiation, and further improve the cycle stability of electrode materials.     

锂离子电池硅负极粘结材料的研究进展

硅基负极材料因具有较高的理论比容量 4200 mAh/g，已成为国内外新能源锂离子电池负极材料领域研究热点课题。然而，由于硅基材料体积膨胀率高达400%，经多次充放电循环后，硅颗粒会发生破裂和粉化使其在电极基体上易脱落，从而导致电池容量衰减快、寿命短的技术缺陷。为缓解硅颗粒巨大体积变化产生的应力以及维持电极完整性，国内外科学研究者们从电池组成上出发，对活性材料、导电剂、粘结剂、电解液等进行系统研究，其中对聚合物粘结剂改性是一种实现其高寿命、抗衰减的有效手段之一。基于锂离子硅基负极材料优异特性及粘结材料的研究现状，综述了硅基负极组成、结构、性能、作用原理、分子间作用机制以及负极粘结剂的分子结构设计，探讨其对硅基锂离子电池电化学性能的影响规律，为锂离子电池硅基负极粘结材料的应用与开发提供理论和实践指导。     

锂离子电池硅基负极黏结剂的研究新进展

硅具有较高的理论比容量,被认为是极具应用前景的锂离子电池负极材料。然而,硅在充放电过程中会产生巨大的体积变化,导致电极粉化脱落和容量的迅速下降,限制了硅基负极材料的应用。黏结剂是锂离子电池中一个不可或缺的组成部分,对体积变化较大的硅基负极而言,除了满足作为锂离子电池黏结剂的基本要求外,对黏结剂的结构和性能又提出了新的要求,黏结剂的选择对于增强硅基电极结构的稳定性并实现长期循环具有更加重要的意义。总结了近年来硅基负极材料黏结剂的研究进展,重点介绍了用于硅基负极材料的交联类黏结剂、导电类黏结剂和自修复类黏结剂等几种黏结剂的性能特点和应用,为选择和设计更加适合的硅基负极黏结剂提供研究建议。     

Sandwich structure of carbon-coated silicon/carbon nanofiber anodes for lithium-ion batteries

For electrospun silicon/carbon nanofiber composites, the surface precipitation of silicon nanoparticles can cause poor cycle stability. To solve this, a carbon-coated silicon/carbon nanofiber (Si/C@C) composite with a ‘sandwich’ structure is constructed by hydrothermal reaction of glucose and an electrospun silicon/carbon nanofiber, followed by high-temperature carbonization. The effects of the thickness of the carbon coating layer and calcining temperature on the electrochemical performance are studied. The results showed that carbon is uniformly and continuously coated on the surface of the composite fibers, which avoid direct exposure of precipitated silicon on the surface of the nanofibers to the electrolyte, reduce the occurrence of side reactions and is conducive to the stable formation of SEI films. At the same time, the carbon shell inhibit the volume expansion of silicon to a certain extent and improve the conductivity of the composites. Consequently, the obtained Si/C@C exhibit good rate performance and cycle stability. With the optimised carbon coating thickness and calcination temperature, the obtained electrodes deliver a reversible capacity of 1120 and 683 mA h g^-1 at a current density of 0.1 and 2 A g^-1 respectively, and a specific capacity of 602 mAh∙g^-1 at a current density of 1 A g^-1 after 100 cycles, a capacity retention rate of 80%. The facilely synthesised Si/C@C composite shows potential applications in high-capacity silicon-based anode materials.     

Pitch carbon and LiF co-modified Si-based anode material for lithium ion batteries

To improve the electrochemical performance of silicon-based anode material, lithium fluoride (LiF) and pitch carbon were introduced to co-modify a silicon/graphite composite (SG), in which the graphite acts as a dispersion matrix. The pitch carbon helps to improve the electronic conductivity and lithium ion transport of the material. LiF is one of the main components of the solid electrolyte interphase (SEI) formed on the silicon surface, helping to tolerate the large volume changes of Si during lithiation/delithiation. The modified SG sample delivered a capacity of over 500 mA h g⁻¹, whereas unmodified SG delivered a capacity of lower than 50 mAh g⁻¹ after 100 cycles at 100 mA g⁻¹. When performed at 4 A g⁻¹, the reversible capacity of the modified SG was 346 mAh g⁻¹, much higher than that of SG (only 37 mA h g⁻¹). The enhanced cycling and rate properties of the modified SG can be attributed to the synergetic contribution of the pitch carbon and LiF which help accommodate the volume change, reduce the side reaction, and form a stable solid electrolyte interface layer.     

锂离子电池电解液SEI成膜添加剂的研究进展

稳定的固体电解质界面（SEI）是提高锂离子电池电化学性能的关键,用电解液添加剂是改善锂离子电池性能最经济有效的方法之一。本文综述了近五年间包括不饱和酯化合物、含硫化合物、锂盐、无机化合物等作为电解液成膜添加剂在锂离子电池中的研究进展和作用机理,对它们的优缺点进行了评价,最后进行了总结和展望。未来成膜类添加剂的研究思路应该为：（1）应以有机物种为主,能够形成弹性模量小的SEI膜,便于适应阳极材料产生的膨胀行为。（2）添加剂要尽量保证形成的SEI膜与石墨等阳极材料产生良好的黏结,因此添加剂形成的聚合物的聚合度不能太小。（3）在没有性能极其优秀的成膜添加剂出现之前,添加剂的分子结构可以在现有的添加剂的基础上进行结构的优化或者官能团的设计。（4）重点攻关当前添加剂的应用的问题,提高添加剂的合成技术,降低合成成本。     

Surface Modification of Silicon Anodes for Durable and High?Energy Lithium-Ion Batteries

Carbonaceous materials have dominated lithium-ion battery anodes since their discovery in 1972. Materials and design challenges have prevented the move to silicon-based anodes, despite their significantly higher specific energies. Morphological design motifs have focused on minimizing the structural instabilities that arise during lithium insertion and removal, which are themselves the subject of numerous articles and reviews. This review focuses on surface modification techniques that have been developed to minimize volume expansion, stabilize the surface of silicon against electrical isolation following pulverization, and improve the electronic and ionic conductivities of silicon anodes during operation and cycling.     

硅基吸附剂处理含镉废水的研究进展

硅基材料具有高比表面积、多介孔孔道及良好的热稳定性,将其作为吸附剂能够解决许多环境保护问题,因此近年来受到人们的广泛关注。本文主要综述了硅基材料对废水中镉离子吸附的研究进展,对比分析了有机物、无机物、聚合物等不同改性硅材料对溶液中镉离子的去除能力及吸附机理,并通过吸附等温线与动力学模型比较了各类吸附剂的吸附容量及吸附过程。分析表明,材料表面亲水性及官能团的增加有利于去除水体中的镉离子,指出制备高选择性、高吸附量的材料以及提高可回收性将是硅基材料改性修饰的研究热点。此外,提出了一些工业副产品及生物吸附剂对镉离子同样有良好的吸附能力,制备以工农业废弃物为原料的新型硅材料也将成为硅基吸附剂的一个主要研究方向。     

中间相炭微球在锂离子电池负极材料的应用进展

中间相炭微球(MCMB)具有良好锂离子扩散性、导电性和机械稳定性等优势,是目前应用广泛、综合性能优异的锂离子电池负极材料,但较低理论比容量是制约其发展的关键因素。为了获得性能优良的MCMB基锂离子电池负极材料,改性修饰和复合材料已然成为目前研发重点。笔者论述了碳结构、表界面和复合材料等微观结构设计对MCMB负极材料电化学性能的影响。从碳堆积结构类型、有序性、层间距以及球体粒径大小等方面,论述了碳结构微观设计对MCMB电化学性能的影响。发现具有乱层结构的MCMB在充放电过程中内部产生应力较小,且碳结构较稳定,具有优异循环稳定性;内部具有大量微孔或碳层间距较大的MCMB,在充放电过程中可提高锂离子在电极中的迁移速率,并提供更多的储锂空间,一般具有优良的充放电比容量和倍率性能;小粒径MCMB具有较短的锂离子迁移路径和随之增加的比表面积,通常具有较好倍率性能,伴随着可逆比容量和充放电效率的衰减。从表界面碳层改性、包覆和掺杂改性等方面,论述了表界面改性对MCMB电化学性能的影响。表面碳层修饰可增加MCMB与电解液的相容性及其比表面积,提高了与电解液的接触面积及贮锂容量,改善了锂离子电池负极材料的电化学性能;另外,MCMB表面包覆一层无定型碳,可避免其表面与电解液直接接触,减少电化学副反应的产生,提升其可逆比容量。从碳活性物质复合材料、非碳活性物质复合材料等方面,论述了复合材料微观结构设计对MCMB电化学性能的影响。碳活性物质可降低MCMB内部碳层结构的有序性,减少锂离子嵌入过程中的内部应力,提升MCMB循环稳定性。非碳活性物质诱导MCMB生成更加有序的碳层结构,提高MCMB的比表面积,从而改善MCMB表面与电解液分子的接触能力及其嵌锂性能,有利于提升MCMB负极材料可逆比容量、循环性能和倍率性能。MCMB具有高碳层间距和多缺陷位点等结构特征,有利于钠离子自由脱嵌,应用于钠离子电池时具有良好的可逆比容量、循环稳定性和倍率性能。MCMB的不规则定向层状结构经活化等处理具有较高比表面积,可应用于超级电容器电极材料。最后提出在高性能锂离子电池电极材料快速发展的需求下,从微观结构角度设计MCMB纳米复合材料将是MCMB负极材料的研究重点。