锂离子电池用硅负极材料的研究进展

硅基材料具有较高的储锂比容量,是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。然而,硅负极在充放电过程中巨大的体积效应以及较低的电导率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:材料纳米化、复合化以及结构特殊化等。本文报告了近年来硅基材料作为锂离子电池负极材料在纳米化、复合化及结构特殊化等研究领域的最新研究进展,并展望了硅基材料作为锂离子电池负极材料的发展前景。     

高能量密度锂离子电池负极材料研究进展

过渡金属氧化物、锡基、硅基负极材料,由于其高比容量以及丰富的储量近年来引起人们的广泛关注.这些负极材料在脱嵌锂时体积将会发生大的膨胀和收缩,使电极材料承受大的形变应力,容易使活性材料粉化,并进一步导致循环性能恶化.该缺点严重限制了这类高能量密度负极材料的进一步应用,本文总结了影响这类材料循环性能的关键因素,并结合这一领域近几年的研究进展,深入讨论了微结构对这类高能量密度锂电池负极材料循环性能的影响,以及人们如何通过特殊的结构设计来改善因颗粒粉化导致恶化的循环性能.     

锂离子电池硅/碳负极材料的制备与应用

对锂离子电池中硅/碳负极材料的纳米结构、掺杂改性以及三元复合等制备工艺及其电化学性能、相关机理进行了总结。通过研究不同改性方法对硅/碳负极材料电化学性能的影响,以找到较为优异的改性路径。经过对比发现,通过采用纳米结构、原子掺杂以及三元复合的方法均可显著提升硅/碳负极材料的电化学性能。最后对硅/碳负极材料发展现状进行了简要分析,并对其研究前景进行了展望。     

锂离子电池非碳负极材料的研究进展

分别对锡基负极材料、钛的复合氧化物，过渡金属氮化物及其它锂离子电池非碳负极材料的研究进行了阐述，并指出它们各自的特点。指出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。     

高容量型锂离子电池硅基负极材料的研究进展

硅基负极材料由于其具有高容量而被广泛研究,该材料在充/放电过程中巨大的体积变化、低的循环寿命和初始库仑效率阻碍了其商业化应用. 本文分析了硅基负极材料的工作原理,回顾了其在脱/嵌锂过程中的晶体结构、表面/界面的变化以及提高其电化学性能的方法,讨论了锂离子电池硅基负极材料的前景.     

SnO2基锂离子电池负极材料研究进展

 作为一种N型半导体,二氧化锡基负极材料由于其拥有较高的理论比容量（782 mA·h·g^-1）、高能量密度等优势受到了广泛关注。然而,由于二氧化锡负极材料在充放电过程中的体积效应和本身导电性较差等导致的其循环性能和倍率性能较差,从而制约了其作为锂离子电池负极材料的应用。本文从二氧化锡的纳米化及复合化（包括其与金属氧化物、无定型碳、碳纳米管和石墨烯等复合）2 方面综述了二氧化锡基锂离子电池负极材料的研究进展,同时对SnO₂基锂离子电池负极材料的发展方向进行了展望。     

高性能锂离子电池SiO/C复合负极材料研究

以SiO为硅源,柠檬酸为碳源,通过高能球磨和高温热解制备了一种循环性能优异的锂离子电池SiO/C复合负极材料.采用X-射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）对复合材料的物相和形貌进行了表征.具有孔状结构的柠檬酸热解碳对纳米SiO不仅具有良好的包覆效果,也能有效缓冲电化学嵌脱锂过程中硅颗粒释放出来的体积变化.电化学性能测试表明,SiO/C复合负极材料电极循环100次后容量仍高达803.1mA.h/g,容量保持率为89%.     

锂离子电池负极中一步球磨硅碳材料的应用

近年来,硅基类材料的高理论比容量使其在能源存储尤其锂离子电池电极材料的应用受到了广泛的关注。通过简单的高能球磨法制备了硅碳(Si/C)复合材料,同时对比了采用不同硅碳比例进行球磨后的复合材料的形貌及性能情况。球磨Si/C复合材料在作为锂离子电池负极时展现了较好的电化学性能,与碳的复合有效抑制了合金硅材料在充放电过程中由于体积膨胀导致的容量快速衰减,同时,碳硅的混合比例对其电化学性能也起到了较大的影响。通过简单一步球磨方法和调控硅碳比例制备高循环稳定性和高容量的改进方式为硅基类材料在锂离子电池中的实际应用拓展了更大的空间。     

锂离子电池硅基负极材料的研究进展

硅作为地球上储量丰富的材料,因为其具有较高的理论比容量和较低的电压平台而成为最有前途的锂离子电池负极材料.但是,硅负极材料具有较大的体积膨胀效应、低电导率、循环性能差等特点,成为阻碍其商业化的最大障碍.研究者们采取了各种方法来克服这些困难.本文总结了近期硅基负极材料通过纳米化、复合化、结构特殊化等方法来提高电池性能的最新进展,并展望硅基负极材料的发展方向.     

Fe基金属氧化物/氢氧化物在超级电容器负极材料中的应用研究进展

纳米结构铁基金属氧化物/氢氧化物(如Fe_2O_3,Fe_3O_4及FeOOH等),因具有较高的理论比电容和较宽的负向电位窗口,被认为是一种潜在的理想超级电容器负极材料,但Fe基电极大多数具有较差的导电性及不稳定的电化学性能,使其实际应用受到阻碍.为此,科研人员为提高其导电性及电化学稳定性做了大量的工作.该文概述提高Fe基纳米结构负极材料导电性和电化学稳定性的有效方法,介绍Fe基纳米结构负极材料在纳米结构设计和合成方面的最新研究进展,展望其未来的应用前景.     

用于锂离子电池负极的多孔硅材料制备

多孔硅具有大量孔洞,能有效缓解体积膨胀带来的压力,有望成为锂离子硅基负极材料的一个研究方向.采用光助电化学腐蚀、二次化学腐蚀制备高孔隙率n型多孔硅材料,通过优化后的光助电化学腐蚀,样品的孔径约为800～1 000nm,多孔层厚度(平均孔深)约为155μm,孔隙率约74%.二次腐蚀后,样品孔径增加到1.1μm,多孔层厚度减小到110μm,孔隙率增加到84%,表明二次腐蚀增加了样品的孔径和孔隙率.以二次腐蚀的多孔硅材料为负极的锂离子半电池在0.05C的恒流充放电循环测试下,循环20次后充放电比容量保持在188和198mAh/g,效率保持90%以上.实验结果表明,多孔硅锂电极比单晶硅锂电极具有更长的循环寿命,可有效提高锂电池的性能.     

硅/Ag/碳复合负极材料的制备、结构及其电化学性能研究

研究了银包覆和银-碳复合包覆对硅的结构和电化学性能的影响。采用XRD和TEM等手段分析了样品的结构和形貌,并采用恒电流充放电测试、循环伏安法和电化学阻抗法研究了改性处理前后硅负极的电化学性能。结果表明,硅/Ag/碳复合负极材料中,Ag纳米微粒以晶体的形式分布在硅颗粒的表面,一层无定形沥青炭包覆在硅/Ag复合颗粒的表面,这有利于提高硅颗粒的结构稳定性。电化学测试表明,与硅相比,硅/Ag/炭复合负极材料的电化学阻抗减小,电化学极化减弱,电化学反应的可逆性和循环寿命显著提高,第40次循环的比容量保持在390 m Ah g-1。     

锂离子电池负极材料力学行为研究进展

 可充电锂离子电池被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车等领域。随着其应用领域的快速发展,迫切需要进一步提高其能量密度。本文综述对目前广泛研究的高能量密度负极材料（如硅、锗）在充/放电过程中力学行为的研究进展;基于最新实验手段及数值模拟方法,介绍负极材料由于电化学-力学耦合所造成的变形和破坏,并讨论相关技术在其他电池系统研究中的应用。     

锂离子电池多孔硅／碳复合负极材料研究

以硅粉、镁粉和葡萄糖为原料,采用高温固相烧结工艺及水热法制备了循环性能优异的锂离子电池多孔硅／碳复合负极材料．利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）对样品物相和微观形貌进行表征,研究了无定形碳包覆量对产物电化学性能的影响．无定形碳的存在,不仅对多孔硅粉的三维孔隙结构起到了支撑作用,也可有效改善复合材料的导电性能并有效缓冲电化学嵌／脱锂过程中多孔硅颗粒所产生的体积效应．电化学性能测试表明,10次循环后,多孔硅／碳复合负极材料平均每周次容量衰减为0．41%,100次循环后其可逆容量仍可维持在608．7mA·h／g．     

硅碳复合结构对锂离子电池负极电化学性能的影响

以晶硅太阳能电池生产过程中的晶硅切削废料为原料、以壳聚糖(Chitosan, CTS)为碳源,通过液相包裹和低温热解工艺制备了具有较大孔隙的硅/硬碳复合材料(Si@CTS).对比研究了Si@CTS及Si@CTS混合石墨后(Si@CTS/G)分别作为锂离子电池负极的电化学性能.结果表明,具有孔隙和互联结构的Si@CTS负极首次放电比容量可达到1 672.8 mAh/g,首次库伦效率达到了84.45%;在循环100圈之后Si@CTS放电比容量保持在626.4 mAh/g.进一步,将Si@CTS作为高容量活性物质添加至石墨中,研磨混合后制得的Si@CTS/G复合负极表现出良好的稳定性,在循环100圈之后放电比容量为698.1 mAh/g,对高容量高稳定性硅碳负极批量化生产和应用具有重要意义.     

硅/碳复合材料的高温热解法制备及其电化学性能

采用高温热解方法成功地合成了高容量硅/碳复合负极材料.通过X射线衍射分析、热重分析、扫描电子显微镜观察、透射电子显微镜观察、恒电流充放电测试、循环伏安法等手段研究了复合材料的性能.结果表明：硅/碳复合材料由Si、C以及少量SiO2组成;硅/碳复合材料中碳的质量分数约在39%左右;经电化学性能测试,在电流0.2 mA下,该硅/碳复合材料首次充电容量768 mAh·g-1,首次库仑效率75.6%,70次循环后可逆比容量仍为529 mAh·g-1,平均容量衰减率为0.44%.这些性能改善归因于硅/碳复合材料中碳的引进,硅表面存在的碳涂层提供了一个快速锂运输通道,降低了电池的阻抗并且充放电过程中稳定了电极的组成.     

微纳结构硅在锂离子电池中的研究现状

近年来,随着人们对能量需求的日益增大,已商业化应用的石墨电极已经很难满足高性能电子产品对高能量密度的需求,因此发展高能量密度的锂离子电池显得尤为重要。在已研究的先进材料中,硅已被证明存在巨大的储能潜力,其理论比容量（约4 200 mA·h·g^-1）远高于已商业化应用的石墨类电极材料。对锂离子电池中硅电极材料的微纳结构、制备方法、电化学性能及相关机理进行了总结,目的是研究不同结构的硅电极材料对电池性能的影响,以找到性能较为优异的硅电极结构。结果表明,在已被研究的硅基复合材料中,核壳结构和多壁纳米管结构硅电极材料在电化学性能方面均体现出了明显的优势。最后简要分析了硅基电极材料发展中存在的问题,并对其研究前景进行了展望。     

铁氧化物锂离子电池负极材料研究进展

铁氧化物锂离子电池负极材料具有比容量高、资源丰富、价格便宜和环境友好等优势,是目前高容量负极材料的研究热点之一.然而,铁氧化物负极材料巨大的体积效应、较差的循环性能以及大的首次可逆容量损失,影响了其在锂离子电池中的应用.目前研究最多的铁氧化物负极材料是α-Fe₂O₃和Fe₃O₄,理论容量分别为1007 mA·h·g^-1和924 mA·h·g^-1.关于其电化学性能的改进方法,包括制备不同形貌与尺寸的纳米结构材料以及铁氧化物/碳纳米复合材料.介绍了铁氧化物锂离子电池负极材料的储锂机理及其存在的问题,综述了各类铁氧化物负极材料的制备方法、影响因素及电化学性能,并对铁氧化物负极材料的进一步研究、发展应用予以展望.     

氮掺杂碳包覆的蛋黄壳结构硅负极材料

采用间苯二酚-甲醛为碳源,三聚氰胺为氮源,以NaOH为蚀刻剂,成功合成氮掺杂碳包覆的蛋黄壳结构硅(Si@void@N-C)锂离子电池复合负极材料.对样品进行XRD、 SEM和X射线电子能谱,透射电子显微镜(TEM)和电化学测试等表征及测试.结果表明,成功合成了蛋黄壳结构的Si@void@N-C复合负极材料.同时,该复合材料具有优异的电化学性能,以0.1 A/g的电流密度进行充放电,首次容量可达1 282.3 mAh/g,经过100次循环后,其比容量仍高达994.2 mAh/g,其容量保持率为77.5%,表现出了良好的循环性能.Si@void@N-C材料中,氮掺杂的碳壳可以增加复合材料的导电性,同时,蛋黄壳结构可有效缓解硅的体积效应,有利于形成稳定的SEI膜,从而提高电池的循环稳定性.     

硅纳米线阵列腐蚀方向控制研究

该文通过控制金属催化化学腐蚀中催化剂的长径比,以Si(100)、Si(110)为基底,制备得到与基底保持不同取向的硅纳米线阵列结构,对硅纳米线阵列进行物性表征,并说明改变镀银溶液的浓度可以对硅纳米线阵列的腐蚀方向进行有效控制。希望对锂离子电池的负极材料的改进提供一些帮助。