锂离子电池用石墨类负极材料结构调控与表面改性的研究进展

锂离子电池作为新一代绿色能量储存和转换装置,具有广阔的应用前景和巨大的经济价值。负极材料是锂离子电池的核心部件之一,其结构和性质对电池的性能起着关键性作用。在众多碳基负极材料中,石墨类材料是目前商业化锂离子电池中应用最广的负极材料。但石墨类负极材料存在可逆容量较低、离子扩散动力学和电解液兼容性较差、体积膨胀率较高等问题,导致锂离子电池的能量密度、大电流倍率性能及循环稳定性等受到严重限制。尤其是近年来新能源汽车对续航里程和快速充放电能力的需求不断提高,使得石墨类负极材料在能量密度与功率密度方面的缺陷日渐凸显。为改善现有石墨类负极材料某些方面的缺陷,提高其综合性能,研究者们主要从石墨类负极材料的表面包覆、化学修饰、元素掺杂和微晶结构优化等角度进行了广泛探究,并取得了丰硕的成果。主要体现在:(1)表面包覆,构筑核壳结构,改善负极材料与电解液的兼容性;(2)化学修饰,调控界面化学性质,增强负极材料表面SEI膜(电极/电解液界面膜)的稳定性;(3)元素掺杂,调节石墨微晶表面的电子状态和导电性,强化负极材料的嵌-脱锂行为;(4)微晶结构优化,修筑三维(3D)梯级纳米孔道,改善锂离子的传输路径,提高负极材料的储能容量和倍率性能。本文简要介绍了锂离子电池的工作原理和其对石墨类负极材料的要求,重点综述了石墨类负极材料在结构调控与表面改性等方面的最新研究进展,并对石墨类负极材料的未来发展趋势进行了展望,以期为高性能锂离子电池用新型碳基负极材料的研发与推广应用提供参考。     

宁波所:锂电池高容量负极材料领域取得系列进展

<正>锂离子电池与铅酸、镍镉、镍氢等电池相比,由于其较高的能量密度、较长的使用寿命、较小的体积、无记忆效应等特点,成为现今能源领域研究的热点之一。负极材料是锂离子电池的关键组件之一,其作为锂离子的受体,在充放电过程中实现锂离子的嵌入和脱出。因此,负极材料的好坏直接影响锂离子电池的整体性能。目前,商用锂离子电池负极材料广泛使用石墨及改性石墨,但是其理论容量仅为372m Ah/g,大大制约了高能量动力电池的发展。IV族元素(硅,锗,锡)基负极材料     

纳米金属氧化物基锂离子电池负极材料研究进展

负极材料是锂离子电池的重要组成部分, 目前商用锂离子电池的负极材料石墨的理论比容量仅为372 mAh/g, 严重制约了锂离子电池的进一步发展。在众多的锂离子电池负极材料新体系中, 金属氧化物具有理论比容量高、价格低廉、环境相容性好等优点, 受到广泛关注, 但是其存在导电性差、充放电体积变化大等缺点。研究发现, 纳米化可以在保持金属氧化物优点的同时克服其缺点, 因此成为金属氧化物基负极材料的研究热点。本文对近期纳米金属氧化物基锂离子电池负极材料研究的主要成果进行综述, 着重关注几种具有代表性的金属氧化物及其复合物的纳米结构设计与性能优化, 并为后续相关研究提出建议。     

钠离子电池铁氧化物/碳基复合材料研究进展

探索高性能、低成本、环境友好型电极材料一直是电化学储能领域的研究重点,其中,铁氧化物(FeO_x:Fe₃O₄、α-Fe₂O₃、γ-Fe₂O₃)作为钠离子电池负极材料具有较大的应用潜力而受到广泛关注。然而,FeO_x的电子和离子传导性较差,限制了循环稳定性和倍率性能,将其与碳基材料(石墨烯、石墨/无定型碳、多孔炭、碳纳米管和碳纳米纤维等)进行复合能够显著改善电化学性能。本文详细介绍了FeO_x/碳基复合材料作为钠离子电池负极材料的研究现状。分析了导致FeO_x负极材料首次库伦效率低、循环稳定性和倍率性能差等问题的原因,以及各复合改性结构的优势,对今后FeO_x/碳基复合材料作为钠离子电池负极材料的研究方向进行了展望。     

钠离子电池合金类负极材料的研究进展

钠离子电池由于具有钠资源丰富、价格低廉等特点,逐渐成为大规模储能领域的研究热点。而负极材料作为钠离子电池的重要组成部分,对电池性能有着直接的影响。在目前所研究的负极材料中,合金类负极材料由于具有较高的理论比容量而受到了人们的广泛关注。但是在反应过程中,合金类材料面临着严重的体积膨胀问题,循环稳定性差,这制约了其发展。研究者通过包覆、纳米化、与其他金属复合等方法大大改善了合金类材料的循环性能。简介了合金类储钠负极材料Sn、Sb、P、Ge、Bi、Pb和Si的反应机理及研究进展,探讨了合金类负极材料所面临的问题和解决办法,并对合金类负极材料的发展方向进行了展望。     

锂离子电池纳米负极材料的研究和开发

锂离子电池近几年发展非常迅速，纳米材料和纳米技术也应用于锂离子电池中。本文综述纳米材料(主要包括纳米金属及纳米合金、纳米氧化物、碳纳米管、具有纳米孔结构的无定形碳材料和天然石墨等)在负极材料方面的最新研发情况。纳米材料的特有性能使其可逆容量高于目前商品化的负极材料，但纳米合金负极材料的产业化还有待于进一步的研究。特别是循环稳定性；碳纳米管的制备和纯化成本过高，不宜产业化，同时理论方面有待于进一步研究，以提高其电化学性能；具有纳米孔的无定形碳材料制备温度低，容量也较高，但是对于产业化而言，循环性能和电压滞后现象有待于进一步的改进；具有纳米孔的天然石墨负极材料不仅容量高、制备比较简单、成本低，而且具有良好的循环性能，可望达到产业化要求。     

锂离子电池硅基负极材料研究进展

锂离子电池硅基负极材料由于具有高的理论比容量,低的脱嵌锂电位,与电解液反应活性低等优点而成为研究热点。本文综述了近年来硅基材料作为锂离子负极材料的研究进展,包括纳米硅、硅基薄膜、硅-金属复合材料、硅-碳材料,分析硅基材料作为锂离子电池负极材料的研究前景和发展方向。     

超级电容电池用炭类负极材料的研究进展

超级电容电池是具有高能量密度和高功率密度的新型储能器件,对其负极材料的研究主要集中在炭材料上.分析了超级电容电池用炭类负极的工作原理,综述了可用作超级电容电池负极的活性炭/石墨复合材料和三维炭材料的制备方法与电化学性能,分析了现行超级电容电池用炭类材料研究中的不足,指出超级电容电池用炭类负极材料的研究重点应集中在对其储能机理进行深层次研究.采用量子化学计算方法研究炭材料结构与性能的关系也是未来研究的一个重点.     

离子键型石墨层间化合物及其应用于碱金属离子电池的研究进展

离子键型石墨层间化合物(GICs)是一种性能优异的层状材料,因其具有高的电子传导率、较好的热稳定性以及较大的层间空间而广泛应用于储能、催化、吸附、超导等领域。离子键型GICs分为供电子型GICs和受电子型GICs,这两类离子键型GICs的典型代表分别是碱金属-GICs和金属氯化物-GICs。近年来,碱金属/金属氯化物-GICs在二次电池领域不断取得新的应用突破。围绕碱金属(Li, Na, K)-GICs的形成过程和金属氯化物-GICs对碱金属离子(Li~+,Na~+,K~+)的存储机制两个方面进行综述。前者通过比较三种碱金属离子(Li~+,Na~+,K~+)嵌入石墨的插层行为,阐明碱金属客体(Li, Na, K)与石墨宿主之间的相互作用关系。后者通过讨论金属氯化物-GICs应用于碱金属离子(Li~+,Na~+,K~+)电池负极材料领域的优良表现和修饰改性后电化学性能的提高,指出金属氯化物-GICs在储能领域面临的挑战。最后,对离子键型GICs的研究趋势和应用前景进行了展望。     

石墨基锂离子电池负极材料研究进展

石墨材料因具有稳定性高、导电性好、来源广等优点,被认为是目前较为理想的锂电池负极材料。但天然石墨负极比容量及倍率性能不能满足高性能负极材料的需要,为解决这一问题,研究者们对其进行了一系列的改性研究。本文从石墨负极的改性方法阐述了锂离子电池石墨负极材料的研究进展,并指出了各种改性方法的优缺点,认为通过多种方法协同改性,是综合提高石墨负极材料的有效方法。     

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。     

锡-金属氧化物多相复合储锂负极材料的研究进展

金属锡(Sn)作为锂离子电池负极材料具有比石墨负极更高的比容量和更可靠的安全性,得到了广泛关注研究。首先简述了Sn基负极的储锂特性及要实现大规模应用仍需解决的关键基础问题;其次指出了将锡与其他相材料进行多相复合、合理调控电极材料的物相组成与尺度和分布是一种提高锡基负极材料循环性能的重要措施。主要综述了Sn与金属氧化物(包括嵌锂活性相、非活性相等)多相复合体系负极材料的研究进展,重点介绍了微纳金属氧化物与Sn的协同作用对复合电极材料电化学性能的改善作用。最后强调如何进一步提高Sn-金属氧化物多相复合材料的首次库伦效率仍是需要深入研究的重要方向。     

锂离子电池硅-碳负极材料的研究进展

硅基负极材料因具有较高的理论储锂容量,将替代传统的石墨负极材料成为下一代锂离子电池最有前景的负极材料之一。然而,硅作为负极材料体积膨胀率(可达到300%)大、导电率低、易被电解液分解产生的HF腐蚀,这些缺点限制了其在商业应用中的发展。碳具有稳定性高、导电性好、价格低、来源广等优点,但其理论储锂容量较低,仅约为硅的1/10。为解决锂离子电池硅材料存在的问题,目前主要采用将硅与碳进行复合的办法,制备出储电量高、导电性好、循环性能优异的硅-碳复合负极材料。重点从硅碳复合结构和制备方法两个方面阐述了硅-碳复合负极材料的研究进展,认为"鸡蛋"结构能够有效地提高循环性能和安全性能,但是目前仍然不能够规模化生产。最后提出研究发展思路,应用胶体颗粒共凝胶法设计制备了一种特殊的硅-碳复合核壳结构。     

钾离子电池中碳负极材料的研究进展

有机系钾离子电池因其能量密度高、钾储量丰富、成本低等优势而成为当前储能器件领域一个新的研究热点。钾离子可以在商品化石墨负极材料中嵌入与脱出,这对于钾离子电池未来的产业化发展具有重要意义。但目前石墨负极存在体积膨胀率较大、容量衰减快、倍率性能低等问题。研究者们尝试使用石墨以外的其它负极材料来提高钾离子电池的电化学性能,如其它种类碳质材料、金属氧化物、过渡金属化合物等。其中碳质材料因制备方法简单、成本低廉、安全环保等优点而成为主要研究对象。本文总结了钾离子电池碳负极材料的最新研究进展,并对一些表现出优异电化学性能的碳负极材料的制备方法及电化学机理做出扼要重述;在此基础上,对钾离子电池的下一步研究进行展望与总结。     

锂离子电池负极材料产业及技术发展概况

1985年,研究人员发现碳材料可以作为锂充电电池的负极材料,使用具有石墨结构的碳材料取代金属锂负极,正极则可以采用锂与过渡金属的复合氧化物,这个发现造就了现在的锂离子电池。碳负极材料的最大优势就是资源丰富、价格低廉、无毒、电极电位低(<1.0Vvs.Li/Li+)、循环效率高(>95%),安全和循环寿命方面的性能相对不错,因此得到了大规模应用。     

介孔碳复合电极材料研究进展

早在20世纪70年代,就有人提出碳作为锂离子负极材料的设想,但直到20世纪90年代日本索尼公司成功地开发出石油焦碳负极材料,才使以碳材料为负极的锂离子电池从实验室研究进入实用阶段[1]。碳材料根据其石墨化程度,可简单分为石墨和无定形碳2类。常见的碳材料不仅包括石墨(无论天然的或人工合成的),还包括中间相的低温碳、硬碳、碳纳米管、介孔碳及石墨烯等,这些碳材料的     

腐殖酸基石墨化材料的制备及其电化学性能

以腐殖酸为前驱体,通过高温热处理制备锂离子电池负极材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和电化学测试系统对该材料的形貌、微晶结构和电化学性能进行表征。结果表明,腐殖酸基石墨化材料呈现出较为规整的石墨片层结构,且随着石墨化温度的升高,所得材料的石墨化度也越来越高。腐殖酸基石墨化材料均表现出良好的电化学性能,石墨化温度为2 800℃所制备的石墨化材料的首次放电比容量为356.7 mAh/g,充电比容量为277.6 mAh/g,首次充放电的库仑效率为77.81%,在1C和2C倍率下50次充放电循环后的容量保持率分别高达99.4%、95.9%,是一种理想的锂离子电池负极材料。     

碳基集流体材料在钠金属负极中的应用

室温钠离子二次电池是锂离子二次电池最有可能的替代品,也被认为是大规模能量存储技术的最有前景的选择之一。金属钠具有超高的理论容量以及低的氧化还原电位,因此被认为是最有前景的高比能钠离子电池的负极材料。然而,钠金属负极的应用仍面临一些挑战性,如钠枝晶的生长、钠金属与电解液之间的副反应、充放电过程中大的体积膨胀等。其中,钠枝晶生长不仅可以产生"死"钠和加速钠金属与电解液之间的副反应,导致容量的快速衰减,而且可能刺穿隔膜,引发电解液燃烧、电池爆炸等严重的安全问题。炭材料家族成员众多,可具有高机械强度、轻质量、高导电性、大比表面积和良好的化学稳定性等特性,近年来被广泛报道用于钠金属负极的集流体的研究。本文综述了最新的碳基集流体材料在钠金属负极上的研究进展,分析了碳基集流体的界面、结构与钠金属负极性能之间的关系,最后并对碳基集流体的未来研究面临的问题进行了展望。     

锂离子动力电池负极材料研究进展

综述了锂离子电池负极材料研究进展,着重介绍了负极材料活性成分、材料尺度及操作温度对电池比容量、比功率、循环寿命、充放电倍率性能的影响,以及数模化半电池或全电池系统对负极材料电极性能的理论研究。为了提高锂离子电池动力性能,改进碳/石墨和非碳/石墨负极材料、制备高度有序的阵列负极将成为今后研究的重要方向;建立数学模型模拟充放电过程、分析负极材料的电极动力学特性,是表征、优化负极材料的有效方法。     

锂离子电池硅基负极材料研究进展

硅基负极材料具有比容量大的优点,是高容量锂离子电池理想的负极材料。然而硅基材料在循环过程中容量衰减快,影响了其实用性。从硅复合物粉末和硅薄膜两个重要研究方面对硅基负极材料进行了综述,指出在Si基复合负极材料的研究中,单一途径改性提升循环性能的幅度有限,很难达到实用化阶段。硅的纳米化、无定形化、合金化及复合化等方法的综合运用成为硅基材料研究的主导方向。