Si-O-C骨架支撑型高循环性能锂离子电池硅基负极材料(英文)

通过经济有效的方法制备得到一种具有长循环寿命的高效稳定性硅/硅氧碳/无定形碳的复合负极材料结构.在这种结构中,以具有稳定化学性能的硅氧碳结构作为骨架,来支撑和隔离硅纳米颗粒结构.材料中包含的无定形碳组分可提高硅/硅氧碳结构的电导性能.这种复合负极结构在0.3C电流充放电情况下,不仅能发挥出637.3 mAh·g-1的比容量,而且在经过100周的充放电循环后,其容量保持率也达到86%.这种新型硅基负极材料的设计为其他功能材料的设计提供了一种潜在可能的方法.     

锂离子电池负极硅基材料

硅基材料由于其高电化学容量是一种非常有发展前途的锂离子电池负极材料,但其在充放电过程中体积变化大、循环寿命差、首次库仑效率低等是阻碍其商业化的主要问题.本文综述了硅在脱嵌锂时晶体结构及表/界面的变化,以及改善其电化学性能方面的研究进展,并阐述其作为锂离子电池负极材料的研究前景.     

锂离子电池硅复合负极材料研究进展

硅基负极材料具有最高的储锂容量和较低的电压平台,是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一.然而,硅负极巨大的体积效应、较低的电导率以及与常规电解液的不相容性限制了其商业化应用.目前,提高硅负极性能的措施主要包括:通过设计硅基负极材料的组成和微观结构来抑制其体积变化并改善导电性,研发适于硅负极的粘结剂和电解液添加剂,探索...     

硅基锂离子电池负极材料

硅是目前已知比容量(4200 mAh ·g^-1)最高的锂离子电池负极材料,但由于其巨大的体积效应(> 300%),硅电极材料在充放电过程中会粉化而从集流体上剥落,使得活性物质与活性物质、活性物质与集流体之间失去电接触,同时不断形成新的固相电解质层(SEI),最终导致电化学性能的恶化。本文介绍了硅作为锂离子电池负极材料的储能及容量衰减机理,总结了通过硅材料的选择和结构设计来解决充放电过程中巨大体积效应的相关工作,并讨论了一些具有代表性的硅基复合材料的制备方法、电化学性能和相应机理,重点介绍了硅炭复合材料。另外,介绍了一些电极的处理方法和其提高硅基负极材料电化学性能的可能机理。最后,对硅基负极材料存在的问题进行了分析,并展望了其研究前景。     

锂离子电池硅负极循环稳定性研究进展

硅是已知质量比容量最高的锂离子电池负极材料,研究人员希望通过制造可靠的高容量硅负极,生产高能量密度的锂离子电池. 但由于充放电过程中锂在硅材料中嵌入与释放,硅材料发生巨大的体积变化,以致破碎,并从负极上脱落下来. 硅负极容量随着充放循环次数的增加而迅速下降,是其应用进程中受到的最大制约. 本文结合锂离子电池硅负极研究现状,从硅材料本体结构、整体负极结构两方面介绍几种不同的提高硅负极循环稳定性的方法,并对各种方法的稳定性、成本、制备方法等进行比较,提出对未来硅负极材料研究的展望.     

锂离子电池硅基负极粘结剂发展现状

在锂离子电池负极材料的研究中，硅材料以其高达4200 mAh·g^-1的理论比容量，成为近年来新能源电池领域的研究热点.但是在锂化/去锂化过程中，硅负极体积变化高达300%，导致快速的容量衰减和较短的循环寿命.目前硅负极改性最有效的方法之一，是通过粘结剂来保持活性物质、导电添加剂和集流体间的接触完整性，减少硅材料在充放电循环过程中体积变化引起的裂化和粉碎，保持硅负极的高容量，提升电池循环性能.基于硅材料作为锂离子电池负极的优异特性，以及目前锂离子电池粘结剂的发展，将针对锂离子电池硅基负极粘结剂做出系统讨论，描述不同粘结剂对电池性能的主要影响，为锂离子电池硅基负极粘结剂的开发和应用提供研究方向.     

锂离子电池硅基负极材料的最新研究进展

硅基材料因具有目前最高的理论比容量、合适的嵌锂平台、大储量等优点,引起了众多研究者的关注,成为最具潜力的下一代锂离子电池的负极材料. 但是硅在嵌锂过程中巨大的体积变化,容易破坏电极结构的稳定性,使电极循环性能迅速衰减,这对硅基材料的应用造成了很大的阻碍. 本文主要针对近年来在硅电极自身的结构（包括：多孔硅基复合材料的合成、硅粘结剂的选择,无粘结剂的纳米硅电极的制备）以及电解液添加剂的选择两大方面的最新研究进展进行总结与评述.     

锂离子电池硅基负极及其相关材料

锂离子电池是目前电脑、通讯、消费电子品以及未来电动车动力系统的主要能源。硅基负极材料因其具有较高理论比容量(4200 mAh·g^-1,为石墨10倍以上),被视为最理想的下一代锂离子电池负极材料。然而硅负极在充放电过程中巨大的体积膨胀造成极片材料的粉化脱落、SEI膜的持续增长、正极锂离子的不断消耗,以及现有商业化粘结剂与硅表面较弱的相互作用等诸多缺陷,造成电池容量快速的衰减,阻碍了硅基材料在锂离子电池中的商业化应用。本文对硅基负极材料及其相关电池材料,如硅材料结构、粘结剂、电解液及添加剂等,进行了系统全面的总结。最后对硅基材料目前研究进展和未来发展方向做出总结与评述,以期为下一代硅基电池体系发展提供参考。     

磷烯包覆的高性能硅基锂离子电池负极材料

Si-based anode materials in Li-ion batteries (LIBs) suffer from severe volume expansion/contraction during repetitive discharge/charge, which results in the pulverization of active materials, continuous growth of solid electrolyte interface (SEI) layers, loss of electrical conduction, and, eventually, battery failure. Herein, we present unprecedented low-content phosphorene (single-layer black phosphorus) encapsulation of silicon particles as an effective method for improving the electrochemical performance of Si-based LIB anodes. The incorporation of low phosphorene amounts (1%, mass fraction) into Si anodes effectively suppresses the detrimental effects of volume expansion and SEI growth, preserving the structural integrity of the electrode during cycling and achieving enhanced Coulombic efficiency, capacity retention, and cycling stability for Li-ion storage. Thus, the developed method can also be applied to other battery materials with high energy density exhibiting substantial volume changes.     

锂离子电池碳负极材料的研究进展

本文介绍碳负极锂离子电池的研究进展，着重评述碳结构与其电化学性能之间的关系，并提出改进锂离子电池用碳负极材料性能的设想。     

锂离子电池用“三明治”型Si/Fe/Si薄膜负极材料的制备及其性能

采用磁控溅射法在铜箔集流体上沉积得到了具有“三明治”结构的Si/Fe/Si薄膜. 高分辨率透射电镜(HRTEM)和选区电子衍射(SAED)分析表明, 该薄膜为非晶态. 扫描电镜(SEM)和能量散射X射线能谱(EDXS)结果表明, 该薄膜循环前总厚度为3.2 μm, 循环200 周后体积膨胀率为265%. 在1.5-0.005 V(vs Li+/Li)和0.1 mA·cm-2条件下, 该薄膜电极首次吸锂量为1.85 mAh·cm-2, 70周后放锂量达最大值0.84 mAh·cm-2, 200周后放锂量仍维持在0.55 mAh·cm-2, 为最高放锂量的66%. 惰性材料铁的加入一方面提高了薄膜的导电性和电极的面积比容量, 有效抑制了电压滞后效应; 另一方面有效抑制了活性物质硅的体积膨胀, 保持了薄膜较好的循环充、放电性能.     

SnO_2/中空洋葱状碳纳米复合材料的制备及电化学性能

以炭黑为原料,硝酸铁为催化剂前驱体,氮气气氛下1000℃高温炭化制备了直径为40nm的中空洋葱状碳纳米颗粒(OC).用SnCl2/乙醇溶液浸渍,空气中350℃氧化得到SnO2/OC复合材料.进一步对该复合材料进行酸处理制备OC包覆的SnO2电极材料.采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和热失重分析(TGA)对OC和SnO2/OC复合材料进行表征;利用恒电流充放电和循环伏安(CV)方法对复合材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能进行表征.结果表明:酸处理后的复合材料的循环性能得到明显改善,50次循环后可逆容量保持为446mAh·g-1,OC起到了缓冲SnO2膨胀和阻止团聚的作用.     

锂离子电池用三维氧化锡/石墨烯水凝胶负极材料

通过溶液水解反应在氧化石墨烯表面引入氧化锡(Sn O2)纳米颗粒,再经过自组装作用形成具有三维结构的氧化锡/石墨烯水凝胶(Sn O2-GH)负极材料。其中三维多孔的石墨烯水凝胶为碳质缓冲基体,Sn O2纳米颗粒为活性物质,其颗粒尺寸为2-3 nm,均匀分布在石墨烯层上,担载量可以达到54%(w,质量分数)。直接将该材料用作锂离子电池负极时,在5000 m A?g~(-1)的大电流密度下循环60次容量稳定在500 m Ah?g~(-1),电流减小到50 m A?g~(-1)循环80次后容量仍高达865 m Ah?g~(-1)。这些优异的循环稳定性和大电流充放电性能主要得益于三维石墨烯水凝胶的疏松、多孔结构和良好的导电性。石墨烯水凝胶能够提高电极比表面积,保证电解液对电极的浸润程度;内部空隙能够为锂离子的传输提供快速通道,缩短离子传输距离和时间。同时丰富的内部空间能够有效避免Sn O2纳米颗粒团聚,缓冲Sn O2巨大体积膨胀,维持电极结构的稳定性,是一种非常适于大电流充放电的锂离子电池负极材料。     

锂离子电池用非晶态Si/Al/Si薄膜负极材料

采用磁控溅射法在铜箔集流体上沉积了具有“三明治”结构的Si/Al/Si三层薄膜. 高分辨率透射电镜(HRTEM)和选区电子衍射(SAED)分析结果表明, 该薄膜为非晶态. 扫描电镜(SEM)和能量散射X射线能谱(EDS)结果表明, 该薄膜总厚度约为4.0 μm, 循环100周后体积膨胀率为225％. 在1.5~0.005 V(vs. Li+/Li)和0.1 mA/cm2条件下, 该薄膜电极前5周衰减较快, 而后趋于平缓. 首次放锂量为0.88 mA·h/cm2, 循环5周后, 放锂量为0.71 mA·h/cm2, 100周后的放锂量仍能保持在0.61 mA·h/cm2. 研究结果表明, Al的加入有效地抑制了Si膜的体积膨胀, 使之具有良好的循环寿命. 交流阻抗结果表明, 随着循环次数的增加, 极化电阻首先从46.9 Ω·cm2(第1周)降低到36.2 Ω·cm2(第50周), 而后又升高到47.3 Ω·cm2(第100周). Al的加入提高了Si膜的导电性, 有效地降低了其极化电阻, 改善了Si膜的电压滞后现象.     

锂离子电池高比容量FeSn_2-C复合负极材料的合成与性能

Sn基合金负极材料具有高达990 mAh·g-1的理论比容量,但其也存在因脱嵌锂过程发生巨大的体积变化而导致循环性能较差的问题.本文以Sn、Fe、石墨为原料利用简易的高能球磨法成功制备了具有核壳结构的FeSn2-C复合物,系统研究了球磨时间、FeSn2相含量对材料物相结构及电化学性能的影响,并分析了电极的失效机理.研究表明,球磨时间的增加有利于FeSn2金属间化合物相的形成及材料颗粒的细化,进而有利于材料比容量的增加及循环性能的提升;FeSn2相含量的增加能够提高FeSn2-C材料的比容量,但会降低FeSn2-C电极的循环稳定性.经工艺优化及组分调节,球磨24 h合成的Sn20Fe10C70材料具有最优的电化学性能,材料的比容量在540mAh·g-1左右,并能稳定循环100次,是一种非常有发展前途的锂离子电池高比容量负极材料.     

纳米MnO锂离子电池负极材料的制备与性能

以高锰酸钾和抗坏血酸合成的MnC₂O₄·2H₂O为前驱体, 通过固相烧结制备了纳米MnO材料. 分别采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和恒电流充放电技术考察了其晶相结构、颗粒形貌和电化学性能.分析结果表明, 该纳米MnO具有面心立方的岩盐结构, 结晶度良好. 其颗粒是由粒径为50-100 nm的一次颗粒结合而成的二次颗粒, 大小约为400-600 nm. 当充放电电流密度为46.3 mA·g^-1时, 纳米MnO的首次库仑效率可达68.9%, 可逆比容量为679.7 mAh·g^-1. 在141.1 mA·g^-1的电流密度下循环50圈后, 比容量由584.5mAh·g^-1降至581.5 mAh·g^-1, 容量保持率高达99.5%, 表现出优异的循环性能. 此外, 当电流密度增加到494.7 mA·g^-1 (~2C)时, 其比容量依然可达290 mAh·g^-1, 表现出较好的倍率性能和快速充放电能力. 因此, 纳米MnO具有比容量高、循环稳定、倍率性能好和安全环保等优点,是一种非常有前景的锂离子电池负极材料.     

NaTiSi2O6/C复合材料用于锂离子电池负极材料

The development of human society and the continuously emerging environmental problems call for cleaner energy resources. Lithium-ion batteries, since their commercialization in the early 1990s, have been an important power source of mobile phones, laptops as well as other portable electronic devices. Their advantages include environment-friendliness, light weight, and no memory effect compared with lead-acid or nickel-cadmium batteries. Electrode materials play an important role in the performance of lithium-ion batteries. The traditional commercial anode material, graphite, has a theoretical specific capacity of 372 mAh·g^-1 and working potential close to 0 V (vs Li⁺/Li), making it prone to the formation of lithium dendrite, which may cause short circuit especially when large current is applied. Another commercial anode material Li₄Ti₅O₁₂, which also undergoes an intercalation reaction during lithiation process, has a theoretical specific capacity of 175 mAh·g^-1 along with three lithium-ion intercalations per formula unit. This is relatively small, and it has a relatively high working potential of 1.55 V (vs Li⁺/Li), which reduces its output voltage and specific energy when assembled in full battery. To overcome the shortcomings mentioned above, it is essential to search for new anode materials that are low-cost, environment-friendly, and easy to synthesize. Silicate materials have gained widespread attention owing to their low cost and facile synthesis. Herein, we report for the first time a novel titanosilicate, NaTiSi₂O₆, synthesized by sol-gel and solid sintering. It is isostructural to pyroxene jadeite NaAlSi₂O₆, belonging to monoclinic crystal system with a space group of C2/c. By in situ pyrolysis and carbonization of glucose, nanosized NaTiSi₂O₆ mixed with carbon was successfully obtained with a specific surface area of 132 m²·g^-1, calculated according to the Brunauer–Emmett–Teller formula. The specific charge/discharge capacity in the first cycle at current density of 0.1 A·g^-1 is 266.6 mAh·g^-1 and 542.9 mAh·g^-1, respectively, with an initial coulombic efficiency of 49.1%. After 100 cycles, it retains a specific charge capacity of 224.1 mAh·g^-1, corresponding to a capacity retention rate of 84.1%. The average working potential of NaTiSi₂O₆ is 1.2–1.3 V (vs Li⁺/Li), slightly lower than that of Li₄Ti₅O₁₂. The reaction mechanism while charging and discharging was determined by in situ X-ray diffraction test as well as selected area electron diffraction. The results showed that NaTiSi₂O₆ undergoes an intercalation reaction during lithiation process, with two lithium-ion intercalations per formula unit. This makes NaTiSi₂O₆ a new member of the silicate anode material family, and may provide insights into the development of new silicate electrode materials in the future.     

硅及硅基负极材料的研究进展

硅（Si）具有极高的理论容量、 较低的电压平台和丰富的自然资源, 有成为下一代高能量密度锂离子电池负极材料的潜力. 但Si不同于石墨, 其固有电导率低, 循环过程中体积变化巨大, 不宜直接作为负极材料. 因此出现了许多从维度结构、 复合材料、 黏结剂和电解质等方面改善或适配Si基负极材料的改性方案, 以使其满足商业化的要求. 本文综合评述了近年Si基负极材料的研究进展, 总结了不同方面的设计要素, 介绍了代表性材料的性能表现, 最后, 对目前Si基材料面临的问题进行了简要分析, 并展望了其作为锂离子电池负极的研究前景.     

MoO2/C共包覆Si/石墨复合锂离子电池负极材料的研究

采用溶胶-凝胶法, 用二氧化钼(MoO₂)和C共同包覆Si/石墨粒子制备了Si/石墨/MoO₂/C锂离子电池负极材料. 利用X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)、 循环伏安(CV)和电化学阻抗(EIS)等分析了材料的形貌和性质. 结果表明, MoO₂/C的共包覆在缓解材料体积膨胀的同时提高了材料的电子和离子电导率, 进而提高了材料的电化学性能. 复合材料的首次充电比容量为2494 mA·h/g, 首次库仑效率为72%, 经过100次循环后比容量为636.6 mA·h/g.     

AlN-Fe纳米复合薄膜:一种新型锂离子电池负极材料

采用脉冲激光沉积技术(PLD)制备了不同比例的Al N-Fe纳米复合薄膜(Al N和Fe摩尔比为3:1;2:1;1:1;1:2),首次研究了其作为锂离子电池负极材料的电化学行为。发现当Al N和Fe的比例为2:1时,复合薄膜具有最佳的电化学性能。在500 m A·g~(-1)电流密度下,Al N-Fe(2:1)经过100次循环充放电后容量仍能保持510 m Ah·g~(-1)。对其电化学反应机理研究发现,在放电过程中,Al N-Fe纳米复合薄膜中的Al N发生分解,Al N-Fe生成Li Al合金和Li_3N。纳米Fe颗粒的引入有效提高Al N的电化学活性;在充电过程中,部分Li_3N与Fe纳米颗粒反应生成了Fe_3N,其余部分Li_3N重新生成Al N。随后的充放电过程由Fe_3N、Al N和Al三者与Li的可逆反应共同参与,保证了Al N-Fe纳米复合薄膜优异的电化学性能。该研究为设计开发新型锂离子电池电极材料提供了一种新的思路。