锂离子电池硅基负极材料改性研究进展

锂离子电池硅基负极材料由于理论容量较高(4200 mAh/g),成为最具吸引力的新一代负极材料.然而,硅在充放电过程中体积变化较大,引起电池容量的快速衰减,从而导致电池的循环性能变差.为解决此问题,表面处理、多相掺杂、形成硅化物等方法被用来改善硅基负极材料的电化学性能.综述了以上方法对硅基负极材料改性研究的最新进展,并对各种改性方法进行了简单的评述.     

锂离子电池硅基负极材料的研究进展

电动汽车和先进电子设备对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求.硅的理论比容量能够达到4 200 mAh/g,被认为是一种很有前景的锂离子电池负极材料.但是,硅在充放电过程中巨大的体积变化(＞300％)导致容量迅速衰减.近年来,研究者们采用不同方法改善了其循环性能,主要有:制备硅基复合材料;制备特殊形貌的硅基材料;选用更加合适的粘结剂、电解液、集流体和控制电压窗口.对这些方法进行了概述,并展望了硅作为高能量密度锂离子电池负极材料的应用前景.     

硅碳复合负极材料的制备及其性能

分别采用乳化沥青和固体粉末沥青为包覆剂制备了硅碳锂离子电池负极材料,对材料进行了XRD、SEM表征,以及进行了循环伏安法等测试。使用乳化沥青为包覆剂制备的硅碳复合负极材料为类球状,形貌规整,首次容量为522mAh/g,效率达88.8%,循环10次后平均每周容量衰减1.6mAh/g。使用固体粉末沥青为包覆剂制备的硅碳负极材料为无规则形状,首次容量为480mAh/g,首次库伦效率为87.9%,循环10次后平均每周容量衰减1.9mAh/g。使用乳化沥青为包覆剂整体性能要好于使用固体粉末沥青为包覆剂制备的硅碳复合负极材料。     

锂离子电池硅基复合负极材料的研究

通过高能球磨法,制备了一种锂离子电池硅基复合负极材料,用XRD、循环伏安和恒流充放电等方法测试研究了复合材料的物相组成和电化学性能.循环20次后,复合材料电极的充电比容量大于750.0 mAh/g,容量保持率大于85%.     

碳热还原法制备负极复合材料Sn/C

通过碳热还原法,以纳米碳、改性天然石墨为碳源还原SnO2,并用沥青进行二次碳包覆,制备了锂离子电池负极复合材料Sn/C。对样品进行了XRD、SEM分析及充放电性能测试。SnO2被过量的碳还原,形成粒径为1～2μm的金属Sn球。以改性天然石墨为碳源制备的样品,首次充电(脱锂)、放电(嵌锂)比容量分别为412.4 mAh/g和591.1 mAh/g;第20次循环的充电比容量为342.1 mAh/g,库仑效率从第2次循环开始均在97.0%以上。     

锂离子电池硅基负极材料的研究进展

硅基材料作为锂离子负极材料具有很高的比容量,成为锂离子电池负极材料的研究重点。然而硅在充放电过程中体积变化较大,引起电池容量的快速衰减,从而导致电池循环性能变差。不同方式复合的硅基复合材料被大量地开发出来,以提高纯硅的循环性能,从硅/金属复合材料、硅/碳复合材料、硅薄膜材料及纳米结构的硅材料四个方面对硅基负极材料的制备方法、电化学性能及其研究现状进行综述,分析硅材料作为锂离子电池负极材料存在的问题,讨论硅材料作为锂离子电池负极材料的研究前景。     

溅射时间对Sn薄膜负极材料循环性能的影响

采用射频磁控溅射法在Cu箔基片上分别溅射5min、15min和25 min,制备了3种锂离子电池用Sn薄膜负极材料。通过XRD、SEM、ICP、恒电流充放电等方法对3种薄膜材料的结构、形貌及循环性能进行了表征。结果表明,在相同溅射功率250 W的情况下,随着溅射时间的增加,薄膜晶化程度加剧,颗粒增大并呈球形化趋势。样品的首次库仑效率逐渐升高,首次嵌锂容量逐渐降低。当溅射时间为15 min时,样品的循环性能优于其它两个样品,首次放电（嵌锂）比容量为710 mAh/g,30次循环后容量保持在650 mAh/g。     

溅射时间对Sb薄膜负极材料循环性能的影响

采用射频磁控溅射法在300W功率下分别镀膜15、30、45min,制备了三种锂离子电池用Sb薄膜负极材料。通过XRD、SEM、ICP、恒电流充放电对三种薄膜材料的结构、形貌及循环性能等进行了表征。实验结果表明,当溅射时间为30min时,Sb薄膜电极具有最好的循环性能,首次嵌锂容量高达640mAh/g,20次循环后容量维持在323mAh/g,容量保持率为51%。     

纳米SnO2和SnO的制备及其电化学性能

用流变相法制备了锂离子电池负极材料纳米SnO2和SnO.用恒流充放电和慢扫描循环伏安等方法考察了试样的电化学性能,结果表明:试样的循环性能和贮锂容量对充放电电压区间很敏感;当充放电电压区间在0.01～1.20 V时,Li/SnO2(SnO)电池的首次贮锂容量都超过了600 mAh/g,循环20次后的容量保持率分别可达90%和83%.     

锂离子电池用硅基材料的研究进展

锂离子电池硅基负极材料以其较高的理论比容量(4 200 mAh/g),成为最具吸引力的新一代负极材料。但硅基负极材料较差的循环性能和较大的首次不可逆容量损失导致其商业化应用受到限制。研究者采取了各种方法来克服硅基材料在嵌脱锂过程中较大的体积变化对电极结构的破坏,从而获得了较好的容量保持率和循环性能,其中包括纳米化、复合化和薄膜化等材料体系的改性,选择不同的粘接剂、导电剂等电极制备方法的改进,以及选择不同电解液和控制电压窗口等电池实际应用方面的措施。主要介绍了近年来硅基负极改性方法方面的研究进展,探讨了硅基材料应用中的问题及可能的解决方法。     

LiFePO4/Li4Ti5O12锂离子电池的制备及研究

使用磷酸铁锂(LiFePO4)和钛酸锂(Li4Ti5O12)做正、负极活性材料,制备锂离子电池,并测试其性能。用三电极法考察不同配比时正负电极充放电电位的变化,并据此确定了电池中正负极的容量配比。性能测试结果表明,所制备的锂离子电池具有优异的循环稳定性,容量发挥好。正负极容量配比1.4时,18650圆柱电池负极钛酸锂的容量发挥为160mAh/g。     

Si/AG/C复合负极材料的制备及性能研究

以硅、人造石墨和蔗糖为原料,通过高温裂解法制备了硅/石墨/碳复合材料作为锂离子电池负极材料。用扫描电子显微镜法(SEM)和X射线衍射光谱法(XRD)分析材料的形貌和结构,复合材料制备成电极后,通过恒流充放电、循环伏安(CV)和电化学交流阻抗频谱(EIS)测试其电化学性能。结果表明:裂解碳将石墨和硅紧密包裹,高温后硅和石墨仍为晶体结构;在600~900℃,复合材料脱锂比容量随温度升高而增加,首次脱锂比容量在1 000~1 100 mAh/g,复合材料循环40次后比容量保持在418~543 mAh/g。紧箍包裹结构的硅/石墨/碳复合材料兼有石墨循环性好和硅容量高的特点。     

锂离子电池硅碳复合材料中硅含量的测定

分别用氟硅酸钾容量法、氯化铵重量法和硅钼蓝光度法测定锂离子电池硅碳混合、复合材料中硅的含量。3种测试方法的结果一致,表明方法可靠可行。校正硅含量后,对硅碳复合材料进行测试,以0.53 A/g的电流在0.01~1.50 V充放电,材料的可逆比容量从1 300 mAh/g修正为1 650 mAh/g;循环280次,材料的比容量仍稳定在1 600 mAh/g以上。     

TiO2纳米微球的制备及其性能研究

采用熔盐法于700℃制备了TiO2纳米材料,通过XILD、SEM和荧光光谱对样品的结构和性能进行表征。结果表明：产物形貌规整,平均粒径约20nm。组装锂离子模拟电池,通过恒流充放电、循环伏安和交流阻抗等方法研究TiO2的电化学性能。电化学测试结果表明,在1．0～2．5V,0．25C下,Li^＋嵌入和脱嵌过程中,在1．73V和1．93V处有两个电压平台。首次嵌锂和脱嵌容量分别为223mAh／g和203．6mAh／g。经过5次循环后放电容量为213．2mAh／g,保持率为95．61％,10次循环后放电容量为183．5mAh／g,保持率为82．29％;15次循环后放电比容量为160．1mAh／g,保持率为71．79％。循环伏安测试显示作为锂电负极的TiO2具有很好的可逆性。     

美国研制可提高锂电池容量和寿命的硅海绵

正硅具有相对工作电压低、储量丰富、理论比容量高等优点,而纳米结构硅是高性能锂离子电池的理想阳极材料。然而纳米硅材料的规模化合成和在高装载量极板上保持良好的循环稳定性方面非常具有挑战性。近日,美国能源部太平洋西北国家实验室(PNNL)联合加州大学的科研人员开发出了一种中孔硅海绵(MSS),可用作锂离子电池的阳极,比容量达750 mAh/g,所制成的锂离子电池样品经1 000次充放电循环后,容量仍保持了初始总容量的     

锂离子电池硅基负极材料研究进展

硅基负极材料由于具有理论比容量高等优点,有望成为替代商业化石墨或碳负极的材料.然而,在充放电循环过程中,容量迅速衰减阻碍了硅负极在商业上的使用.主要介绍了近年来硅基负极材料(硅单质、硅氧化物、硅复合物以及采用不同的粘结剂)的研究进展,阐述了硅基材料作为锂离子电池负极材料的研究前景.     

锂离子电池负极材料的现状与发展

介绍了锂离子电池负极材料的研究开发与应用现状 ,并对其发展进行了探讨。目前已实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料 ,其比容量达到 30 0mAh/ g以上 ,并已接近LiC6的理论比容量 (372mAh/ g)。负极材料的研究与开发重点将朝着高比容量、高充放电效率、高循环性能以及低成本方向发展 ,实用性负极材料的比容量将突破LiC6理论比容量     

LiFePO_4锂离子电池的低温性能

采用循环伏安和充放电测试研究了LiFePO4和碳负极材料的低温性能.LiFePO4在25℃时的0.1 C和0.3 C放电比容量分别为156 mAh/g和148 mAh/g,在-20℃时分别为91 mAh/g和65 mAh/g.碳负极材料在-20℃下以0.1 C和0.3 C放电,几乎可放出25℃时的全部比容量.约330 mAh/g.LiFePO4是LiFePO4锂离子电池低温容量的主要影响因素.     

LiCoO2-SiO/石墨锂离子电池循环衰减机理研究

研究了LiCoO₂正极和氧化亚硅/石墨复合负极（LiCoO₂-SiO/石墨）软包锂离子电池体系（LIBs）循环衰减机理,通过循环过程中电化学阻抗（EIS）、增量容量分析（ICA）、正负极形貌等分析了循环的影响因素。结果表明,硅基负极材料在完全嵌锂状态下的体积膨胀不仅会导致SiO负极的颗粒破碎,与电解液的副反应加剧,其膨胀应力还会造成电极的导电网络和粘结剂网络的破损,从而导致正负极活性物质利用率降低,降低SiO负极材料的循环性能。此外,SiO负极的充放电电压平台较高,与石墨材料复合使用时,容易造成电池正极的过充和放电容量损失,正极过充会加剧正极材料结构破裂。而随着循环的进行,过充程度和放电容量损失会愈发严重,加速电池循环性能衰减。     

Ni-Sn-Co合金电极材料的制备及性能

采用化学还原共沉积法制备Ni-Sn和Ni-Sn-Co合金材料.用XRD和SEM分析了结构和形貌,用充放电曲线、循环伏安和交流阻抗谱研究了嵌脱锂行为.Ni-Sn合金为粒状结构,Ni-Sn-Co合金为疏松棉状多相结构.Ni-Sn-Co合金电极的100 mA/g首次充放电比容量分别为542 mAh/g和1 419 mAh/g;第20次循环的可逆比容量为365 mAh/g,库仑效率为94.3%.