锂离子电池用多孔硅/石墨/碳复合负极材料的研究

在两步高能球磨和酸蚀条件下制得了多孔硅/石墨复合材料，并对其进行碳包覆制成多孔硅/石墨/碳复合材料。通过TEM，SEM等测试手段研究了多孔硅材料的结构。作为锂离子电池负极材料，电化学测试结果表明多孔硅/石墨/碳复合材料相比纳米硅/石墨/碳复合材料有更好的循环稳定性。同时，改变复合体配比、热解碳前驱物、粘结剂种类和用量也会对材料的电化学性能产生较大的影响。其中使用质量分数为10％的LA132粘结剂的电极200次循环以后充电容量保持在649.9 mAh·g^-1，几乎没有衰减。良好的电化学性能主要归因于主活性体-多孔硅颗粒中的纳米孔隙很好地抑制了嵌锂过程中自身的体积膨胀，而且亚微米石墨颗粒和碳的复合也减轻了电极材料的体积效应并改善了其导电性。     

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。     

碳在锂离子电池硅碳复合材料中的作用

随着低比容量硅碳复合材料(<500 mAh/g)在锂离子电池中的商业化应用,硅基负极材料也从实验室研究走向了产业化发展。近年来的研究工作中,许多方法被用来解决硅在循环过程中体积变化(>300%)所带来的一系列问题。在材料结构方面,从最初的硅材料纳米化、硅与其他材料复合等技术手段转变到了硅碳复合材料二次颗粒的结构设计、表面包覆层设计等方法;在应用性能方面,除了早期文献报道的材料比容量、循环性能等参数外,还增加了材料比表面积、振实密度、首次及循环库仑效率等更符合电池实际应用要求的性能参数研究,从而极大地推动了硅基负极材料的商业化应用进程。本文首先综述了近年来硅碳复合材料组成、结构设计的发展脉络,进一步分析了由石墨、软碳、硬碳、碳纤维和石墨烯等碳源合成的硅碳复合材料的结构特点,并对其电化学性能进行分析对比,总结了碳在硅碳复合材料结构及其性能上发挥的作用。最后,对硅碳复合材料制备过程中的结构设计要求和碳材料的选择进行了分析和展望。     

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.     

Si-O-C骨架支撑型高循环性能锂离子电池硅基负极材料

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.     

高容量锂离子电池核壳型硅/碳复合电极材料的制备与性能

通过自组装方式采用一步法制备了锂离子电池硅碳复合电极材料.使用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)等对样品结构进行表征.结果表明,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)包覆的纳米硅颗粒(Si@PVP)均匀嵌入到具有三维网络纳米孔结构的导电石墨化炭黑(GCB)骨架中,形成核壳复合型(Si@PVP-GCB)纳米颗粒,既提高了该复合电极材料的导电性能,又改善了材料的机械强度.在纳米级GCB颗粒内部存在的中空石墨环结构和包覆在纳米Si颗粒外面的PVP包覆层都有效缓冲了纳米Si颗粒在充放电过程中较大的体积变化,从而使纳米Si颗粒更加稳定.电化学测试结果表明,Si@PVP-GCB电极材料在电流密度为50 m A/g时,经过100次循环后其可逆容量仍达到545 m A·h/g时,远高于商品化的石墨微球(GMs)电极材料的容量(理论容量为372 m A·h/g).     

硅材料在锂离子电池负极中的应用研究进展

硅材料作为锂离子电池负极材料具有比容量大的优点，是高容量锂离子负极材料的研究热点之一。论文综述了近年来锂离子电池硅负极材料的研究进展。分别对硅和含硅材料作为锂离子电池负极材料的发展过程、充放电特性、储锂机理及影响其储锂的各因素进行了分析和总结，并对其存在的问题进行了分析。探讨了采用不同复合物、不同制备方法和合成硅化物等改性方法来提高其循环性能的可行性。指出纳米硅基复合物将是硅负极材料最有希望的发展方向。     

磷烯包覆的高性能硅基锂离子电池负极材料（英文）

硅基锂离子负极材料在脱嵌锂离子的过程中显著的体积效应导致活性材料的粉化、固体电解质介面膜(SEI)的持续生长和电接触的丧失并最终导致电池的失效。本文报道了一种新型的磷烯(单层黑磷)包覆来提升硅基负极材料的电化学性能。微量(1%,质量分数)的磷烯包覆有效抑制了被包覆硅颗粒的体积膨胀和SEI生长等问题,并保持了其电极结构在持续充放电循环中的完整性,从而提升了其库伦效率、容量以及循环稳定性。这是首次利用磷烯包覆法来提升硅基锂离子电池负极材料电化学性能的报道,而且也展现了此工艺在其他具有显著体积效应的电池材料中具有应用前景。     

锂离子电池用纳米Sn/SnSb合金三维复合负极的制备及性能

采用多步电沉积法制备的三维多孔铜箔作为集流体、低温液相化学还原法制备的纳米Sn/SnSb 合金作为负极材料, 制备出一种新型三维多孔结构的纳米Sn/SnSb合金复合负极. 通过与普通负极电化学性能的对比实验发现, 这种新型三维复合负极具有如下优点: 三维多孔网络结构提高了负极活性材料与集流体之间的结合力, 使不含粘结剂电极的制备成为可能; 有效缓解了高容量负极活性材料在充放电过程中的体积膨胀, 提高了负极活性材料的循环性能, 当循环到第30周时, 普通负极剩余容量为初始容量的33%, 而三维复合负极剩余容量为初始容量的41%; 三维铜箔集流体的特殊结构为高容量负极活性材料提供了一个良好的导电环境, 使电极反应进行得更加完全, 从而获得了更高的电极比容量, 普通负极初始容量为480 mAh·g-1, 而三维复合负极达到了800 mAh·g-1. 纳米Sn/SnSb合金三维复合负极良好的电化学性能为锂离子电池负极结构的设计开发提供了新的思路.     

Na_2Ti_3O_7纳米片原位制备与钠离子电池负极材料应用（英文）

报道了Na_2Ti_3O_7纳米片的原位生长和钠离子电池负极材料的应用。通过简单的腐蚀市售的钛片制备出相互连接的微纳结构的Na_2Ti_3O_7纳米片。此外,腐蚀后的钦片在不用添加导电剂或粘结剂的情况下,可以直接作为电极材料使用。这种电极材料表现出优越的电化学性能,在50 mA·g~(-1)的电流密度下具有175mAh·g~(-1)的可逆容量,在2000mA·g~(-1)的电流密度下循环3000周后,其容量仍保持120 mAh·g~(-1),容量保持率为96.5%。Na_2Ti_3O_7纳米片电极的优越电化学性能归因于二维结构具有较短的离子/电子扩散路径以及无粘结剂结构能有效的增加电极的电子传导能力。结果表明,这种微纳结构能够有效地克服Na_2Ti_3O_7作为电极材料离子/电子导电性差的缺点。因此,这种无粘结剂结构的Na_2Ti_3O_7纳米片负极材料是一种很有潜力的钠离子负极材料。     

微纳复合结构MFe2O4负极材料的可控合成与性能

采用新溶剂热体系一步合成MFe₂O₄(M=Zn/Co)负极材料. 通过调控反应时间可分别制备出由一次纳米颗粒组装成的亚微米级空心和实心球形结构复合材料. 与实心球形微纳复合材料相比, 空心球形微纳复合材料具有结晶度高、 颗粒粒径大、 放电比容量高、 循环性能好及电化学阻抗低等优点. 空心球形ZnFe₂O₄和CoFe₂O₄样品充放电循环50周后分别保持655和1180 mA·h/g的比容量, 远高于实心球形ZnFe₂O₄和CoFe₂O₄材料的305和524 mA·h/g, 说明微纳复合铁酸盐材料的结构和组装形式对其电性能有较大影响.     

锂离子电池Si/RGO@PANI三明治纳米结构负极材料的制备与电化学性能

以石墨烯和纳米硅颗粒为起始原料,苯胺为单体,植酸为掺杂剂,过硫酸铵为氧化剂（引发剂）,通过超声波的作用成功原位合成了具有三明治纳米结构的Si/RGO@PANI锂离子电池负极材料。石墨烯片层与导电聚苯胺与纳米硅颗粒构成的夹心结构可形成有效的导电网络,且具有优异的结构稳定性,能够有效缓解硅在嵌锂/脱锂过程中产生的巨大体积效应,表现出良好的循环性能和倍率性能。电化学性能测试表明,这种Si/RGO@PANI三明治纳米结构复合材料适合作为一种优良的锂离子电池负极材料。     

锂离子电池Si/RGO@PANI三明治纳米结构负极材料的制备与电化学性能

以石墨烯和纳米硅颗粒为起始原料,苯胺为单体,植酸为掺杂剂,过硫酸铵为氧化剂(引发剂),通过超声波的作用成功原位合成了具有三明治纳米结构的Si/RGO@PANI锂离子电池负极材料。石墨烯片层与导电聚苯胺与纳米硅颗粒构成的夹心结构可形成有效的导电网络,且具有优异的结构稳定性,能够有效缓解硅在嵌锂/脱锂过程中产生的巨大体积效应,表现出良好的循环性能和倍率性能。电化学性能测试表明,这种Si/RGO@PANI三明治纳米结构复合材料适合作为一种优良的锂离子电池负极材料。     

高性能硅基负极聚合物粘结剂的研究进展

硅（Si）由于其具有超高理论比容量而成为最有前途的下一代锂离子电池的负极材料。但是,锂离子的嵌入和脱出会造成硅体积的巨大变化,进而导致Si的粉化,致使电极容量产生不可逆的衰减,严重限制了硅基材料的广泛应用。然而过去的大量报道表明,聚合物粘结剂可以有效克服由于硅微粒的体积膨胀而产生的“孤岛效应”,保持电极在充放电过程的完整性,进而提高电极的电化学性能。对聚合物粘结剂按结构分类,可以将其大致分为4类,即线型、支化型、交联网络型及共轭型。不同分子结构的粘结剂用作硅基负极粘结剂时,电极表现出不同的电化学性能。特别是设计出具有多种分子结构的聚合物粘结剂,极大地促进了硅基负极的实际应用。通过对比具有不同分子结构的聚合物粘结剂用于硅基负极取得的效果,可以清晰地得到最有效的分子结构,对未来硅基负极聚合物粘结剂的开发提供思路。最后,本文提出了下一代聚合物粘结剂的设计方向,以促进其向可大规模应用和工业化生产的方向发展。     

二次包覆法制备煤沥青基硅/碳复合物及其锂离子电池性能

本文采用市售纳米硅为硅源,以软化点低、得碳率高、价格便宜的煤沥青作为碳源,通过两步包覆法制备了煤沥青基硅/碳(Si/C/C)复合物,并研究其作为锂离子电池负极材料的电化学性能。 结果表明,所得复合物的粒径在300~350 nm间,Si纳米粒子被C包覆并相互连结成C-Si-C网络结构,其中Si含量为27%的硅/碳复合物(Si/C/C-27%)作为锂电池电极材料表现了良好的储锂性能。 在0.1 A/g的小电流密度下,Si/C/C-27%的放电比容量为1281 mA·h/g;在3 A/g的大电流密度下,其放电比容量仍能保持在582 mA·h/g,表现了良好的倍率性能。Si/C/C-27%在2 A/g的电流密度下经过100次的循环后其比容量保持率为76.61%,表现了良好的循环稳定性。 相比于煤沥青基碳的一次包覆所得的硅/碳复合材料(Si/C),Si/C/C有效提高了Si纳米粒子的导电性并抑制了其在嵌锂和脱锂过程中的体积膨胀。 本文提出的二次包覆的新方法为制备具有优异电化学性能的锂离子电池负极材料提供了新的研究思路。     

Na2Ti3O7纳米片原位制备与钠离子电池负极材料应用

报道了Na₂Ti₃O₇纳米片的原位生长和钠离子电池负极材料的应用。通过简单的腐蚀市售的钛片制备出相互连接的微纳结构的Na₂Ti₃O₇纳米片。此外,腐蚀后的钛片在不用添加导电剂或粘结剂的情况下,可以直接作为电极材料使用。这种电极材料表现出优越的电化学性能,在50 mA·g^–1的电流密度下具有175 mAh·g^–1的可逆容量,在2000 mA·g^–1的电流密度下循环3000周后,其容量仍保持120 mAh·g^–1,容量保持率为96.5%。Na₂Ti₃O₇纳米片电极的优越电化学性能归因于二维结构具有较短的离子/电子扩散路径以及无粘结剂结构能有效的增加电极的电子传导能力。结果表明,这种微纳结构能够有效地克服Na₂Ti₃O₇作为电极材料离子/电子导电性差的缺点。因此,这种无粘结剂结构的Na₂Ti₃O₇纳米片负极材料是一种很有潜力的钠离子负极材料。     

二维纳米片组成的花状铁醇盐及其微纳结构三氧化二铁衍生物的储锂性能

Fe₂O₃作为锂电池负极材料具有诸多优点,但其较低的本征电导率和充放电循环过程中材料粉化使得其电化学储锂性能有待改善。 本文以具有花状微纳结构的铁醇盐为反应中间体,在空气气氛下烧结制备出具有花状微纳结构的铁基负极材料Fe₂O₃。 纳米花状的铁醇盐可以在低烧结温度下转化为目标产物,从而使得产物能够保持中间体的形貌。 300 ℃热处理条件下,所得样品在电流密度为200 mA/g时首次放电比容量为1360 mA·h/g,循环100次后的容量仍然达到515.6 mA·h/g;相比之下,450和800 ℃热处理所得样品100次循环后,比容量分别为247.6和206.7 mA·h/g。 微纳结构在增加材料的活性的同时,也能够抑制材料的粉化现象,因而所制得的材料表现出较大的比容量和良好的循环性能,为解决Fe₂O₃负极材料循环性能差的问题提供了思路。     

锂离子电池氧化亚硅负极结构优化和界面改性研究进展

氧化亚硅(SiO)作为锂离子电池负极材料,具有较高的理论比容量(~2043 mAh·g^-1)以及合适的脱锂电位(< 0.5 V),且原料储量丰富、制备成本较低、对环境友好,被认为是下一代高能量密度锂离子电池负极极具潜力的候选材料。然而,SiO在脱/嵌锂过程中存在着较严重的体积效应(~200%),易导致材料颗粒粉化、脱落,严重影响了SiO负极电极的界面稳定性和电化学性能。近年来,人们围绕SiO负极结构优化和界面改性开展了大量工作。本文先从SiO负极材料的结构特点出发,阐述了该材料面临的主要瓶颈问题;继而从SiO的结构优化、SiO/碳复合和SiO/金属复合等三方面,系统总结了迄今已有的SiO负极结构设计和界面调控策略,并分别对其方法特点、电化学性能以及二者间关联规律进行了比较和归纳,最后对SiO负极材料结构和界面改性的未来发展方向进行了展望。     

锂离子电池纳米负极电极材料

综述了锂离子电池纳米负极材料研究的最新进展,根据材料的化学组成把锂离子电池纳米级负极材料分为金属基纳米负极材料、非金属基纳米负极材料、金属-非金属复合纳米负极材料、纳米氧化物负极材料和其它纳米负极材料。论述了各类材料的优势和存在的问题,探讨了这些材料的主要制备方法与其结构、形貌和电化学性能之间的关系,展望了纳米负极材料用于锂离子电池的前景。     

三维立体结构微纳电极研究

基于体硅加工工艺和纳米材料技术,研制微电机系统(MEMS)尺度敏感微结构与纳米铂颗粒的复合结构,提高微电极电化学性能,制备具有三维立体微结构的安培型微电极传感器.利用硅的各向异性湿法腐蚀技术在毫米级的工作电极表面实现微米级的锥体形微池阵列,以H2O2为检测对象考察立体电极结构对传感器性能的改进效果,实验证明,立体结构的设计使传感器具有更低的检出限(8 μmol/L)及更高的灵敏度(在 0～200 μmol/L浓度范围内检测灵敏度提高约85%),且具有较好的线性和重复性.利用电化学方法在电极表面沉积铂黑,通过微观形貌分析和电化学特性考察,比较了在平面微电极和立体微电极上修饰纳米材料的效果.立体结构为电沉积铂纳米颗粒提供了更为理想的微环境,改善了纳米材料修饰的效果;立体结构微电极与纳米颗粒的尺寸效应相结合,进一步提高了电极的催化效率和电化学特性.