锂离子电池硅纳米粒子/碳复合材料

硅由于其超高的理论比容量有望取代石墨成为下一代锂离子电池负极材料,但是硅在充放电过程中巨大的体积膨胀(~300%)会导致材料粉化从集流体上脱落,同时不断形成固相电解质层,造成不可逆容量损失,而材料纳米化和碳复合是解决这些问题的有效手段。本文介绍了硅在循环过程中容量衰减机理,并综述了硅纳米粒子与碳材料复合的最新进展,主要包括包覆型、核壳型以及嵌入型硅碳负极材料,并对核壳型与嵌入型做了重点探究,最后对硅纳米粒子/碳复合材料存在的问题进行分析并展望其研究前景。     

硅/石墨复合物用作锂离子电池负极材料

以石墨和纳米硅粉为原料, 利用机械球磨的方法制备了硅/石墨复合物, 用作锂离子电池负极材料. 采用XRD, SEM以及电化学测试等手段对材料进行了结构表征和性能测试. 通过球磨不同质量比的硅和石墨, 并对相应的复合物进行充放电测试, 寻找到了硅和石墨的最佳比例, 其值为1∶9. 实验结果表明, 所得材料既具备高于纯纳米硅的循环性能, 又具有比石墨高的可逆容量.     

锂离子电池负极材料纳米多孔硅/石墨/碳复合微球的制备与性能

以硅藻土为原料, 通过镁热还原反应得到多孔硅, 进一步利用砂磨得到纳米多孔硅, 然后通过球磨将其与片状石墨和沥青均匀混合, 采用喷雾干燥技术造粒, 高温煅烧后制备了纳米多孔硅/石墨/碳复合微球. 对所得复合微球的结构和理化性质进行了表征. 纳米多孔硅/石墨/碳复合微球作为锂离子电池负极材料展示出较高的可逆容量、 优异的循环稳定性(100次循环后容量仍为790 mA·h/g, 容量保持率可达96.7%)及较好的倍率性能.     

碳包覆硅/石墨复合材料的制备及其电化学性能

本文以工业硅粉(600目)为原料,通过高能球磨和热解包碳方法制备了碳包覆纳米硅,在此基础上采用简单的机械球磨方法制备了碳包覆/石墨复合材料,并系统研究了碳包覆量及硅/石墨比例对碳包覆硅/石墨复合材料电化学性能的影响.与商业纳米硅粉/石墨复合材料相比,工业硅粉/石墨复合材料的循环性能及倍率性能均得到改善.通过高能球磨和热处理法得到的碳包覆材料为无定形碳和晶态硅材料的复合,所获碳包覆硅材料一次颗粒的粒径在100～200 nm左右.碳包覆量对材料的电化学性能有着重要影响,Si/C-2-1复合材料表现出高的可逆比容量、良好的倍率性能和循环稳定性,在0.1C倍率下,可逆比容量高达492.6 mA h·g~(-1),循环100周后容量保持率达85.8%,1C电流密度下放电比容量达369.7 mAh·g~(-1),为0.1C的73.9%.提高碳包覆硅/石墨复合材料中硅含量的比例可以提升其比容量,当硅含量达到20%时,Si/C-2-3复合材料在0.1C倍率下可逆比容量达到600.4 mAh·g~(-1),但材料循环性能有所下降,说明石墨在稳定硅/碳复合材料循环性能方面发挥着非常重要的作用.     

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).     

纳米碳与石墨碳复合材料的电化学性能

在天然石墨(NG)中掺杂不同比例的碳纳米管(CNT)得到纳米碳与石墨碳的复合材料.电化学测试结果表明,在NG中掺杂质量分数为10%的CNT所得复合材料的电化学性能最好.经过20次充放电循环,该复合材料的放电容量比同样条件下的石墨提高15.9%.纳米碳管的中空式结构和不易塌陷的特点使复合材料的充放电容量和循环稳定性明显提高.     

锂离子电池负极碳材料的表面改性与修饰Ⅱ.具有“核壳”结构的碳及其对电池性能的影响

以具有气相碳化形式的精制煤焦油沉积碳为壳层材料、人造石墨（ＡＧ）及中间相石墨微球（２８００℃）为核材料制备了核壳结构的碳及碳电极．核壳结构碳及核壳结构碳电极的充放电研究表明碳负极的稳定充放电容量及首次充放电效率都得到了较大的改善,循环伏安研究表明在０．７Ｖ（ｖｓＬｉ＋／Ｌｉ）左右用于形成碳电极表面钝化膜的溶剂的还原分解峰显著减小,显示了核壳结构碳材料电极对电极表面钝化膜的影响作用,Ｘ射线衍射研究揭示了石墨及石墨电极上的无定形碳壳层的存在     

锂离子在石墨负极材料中扩散系数的测定

锂离子电池是以各种碳材料为负极而起来的一 种新型电池,成功地解决了以 为负极瓣锂可充电电池的安全性问题,已经应用于锂离子电池的负极材料有石墨和石油焦炭,正在研究的负极材料有热解碳,石墨化碳纤维,硼炭或硼炭氮化合物以及锡基氧化物等[1],石墨的比容量要比石油焦炭的比容量高一倍左右,其理论比容量372mA.h.g^-1,但锂离子在石墨材料中的扩散系数比较低,限制了以其为负极材料的电池的大电流充放电能力,锂离子在电极材料中的扩散系数可以用多种电化学方法测量得到,主要有：电位间歇滴定方法（PITT）（Potentiostatic Intermittent Titratiobn Technique)^[2,3,4,6],恒电流间歇滴定法（GITT）（Galvanostatic Intermittent Titration Technology)^[6],电流脉冲松弛法（CPR）（Current Pulse Relaxation Method)^[3,6]和交流阻抗法（A－C Technology)^[4,5,6],GITT,CPR,A-C等方法测定锂离子扩散系数时,由于相变发生处dE/dy值不容易准确得到（相变时,dE/dy→0）,此时测得的扩散系数误差比较大,PITT方法测定锂离子扩展系统,不存在这个问题,能比较准确地测定整个嵌入组成范围内的锂离子扩散系数。     

喷雾热蒸发碳膜用于锂离子电池负极的研究

以有机热解碳（石墨）为原料,用喷雾热蒸发法制备了用于锂离子电池负极的碳膜,用循环伏安法和恒电流充放电法测试了所获碳膜的电化学性能,测试结果表明,在第一循环周期中存在一个还原峰,该还原峰对应在电极表面形成固体电解质中间相膜;当充放电电流大小适合时,容量和Ｘ值都较大。基于这些实验结果,可以认为所获得的碳膜作用负极以相对测试其他正极材料电化学性能。     

锂离子二次电池锡的氧化物负极材料的研究

现有的商品化锂离子二次电池均采用石墨化碳质为负极材料。该类负极材料的制备需要高温（＞２０００℃），而且理论容量有限（＜３７２ｍＡｈ／ｇ），不到金属锂的十分之一。因此人们开展了低温碳材料的研究［１］，可是低温碳材料存在着电压滞后现象，第一次的充放电效率...     

Fabrication of Sn–C composite electrodes by electrodeposition and their cycle performance for Li-ion batteries

To improve the cycle performance of the thick Sn electrode of 10 μm thickness, the Sn–C composite electrodes were fabricated by co-electrodeposition with two kinds of carbon particles which were the graphite and the acetylene black. The acetylene black particles were well dispersed in the Sn matrix more than the graphite particles. The carbon content in the Sn–C composite electrodes was measured about 12% of the graphite and 16% of the acetylene black particles. Even though carbon content of the Sn–acetylene black electrode was not significantly higher than that of the Sn–graphite electrode, the cycle performance of the Sn–acetylene black electrode was much higher than that of the Sn–graphite electrode. This demonstrates that the ‘buffering effects’ of well dispersed acetylene black particles was larger than that of the graphite particles. The cycle performance of the Sn–acetylene black electrode was significantly improved by the aging treatment.     

Capacity characteristics of carbon anodic materials based on Russian natural graphite for lithium-ion batteries

The effect of structural and surface properties of carbon anodic materials based on natural graphite of the Taiginka Deposit obtained using different technologies on the capacity characteristics of the negative electrode of a lithium-ion battery is studied. It is shown that the key factors determining the value of irreversible capacity of the negative electrode in the first cycle are the value of graphite specific surface area, the state of the surface, in particular, the content of disordered carbon, and functional groups on the surface of graphite particles, and also the composition of the active electrode layer. A change in the specific surface area value and content of functional groups is due to the efficiency of the pyrocarbon coating in the case of samples subjected to milling on vibration and cavitation mills, and also of finely dispersed samples obtained by milling on a jet mill. The observed decrease in the specific surface irreversible capacity at an increase in the specific surface area of carbon is apparently caused by inhomogeneity of the latter and nonparticipation of its microporous part in formation of the solid-phase surface passivating film. The minimum irreversible specific capacity of electrodes of the studied natural graphite for the optimum electrode material composition was about 20 mA h/g or 6%. The specific surface capacity changed as dependent on the value and state of the graphite sample surface more than threefold (from 2.5 to 7.7 mA h/m²) and by an order of magnitude at an additional change in the electrode composition (from 2.5 to 20.3 mA h/m²).     

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。     

Cycling parameters of silicon anode materials for lithium-ion batteries

Integrated analysis of the cycling parameters (reversible specific capacity, Coulomb efficiency, irreversible loss of cycle capacity, accumulated irreversible capacity, and retention of reversible capacity) of synthetic graphite of MAG brand as an active material for the negative electrode of lithium-ion batteries was made.     

Cycling parameters of MAG graphite as anode material for lithium-ion batteries

Integrated analysis of the cycling parameters (reversible specific capacity, Coulomb efficiency, irreversible loss of cycle capacity, accumulated irreversible capacity, and retention of reversible capacity) of synthetic graphite of MAG brand as an active material for the negative electrode of lithium-ion batteries was made.     

Reason analysis for Graphite-Si/SiOx/C composite anode cycle fading and cycle improvement with PI binder

Designed Graphite-Si/SiO_x/C composite electrodes for rechargeable lithium-ion batteries are prepared with different binder of carboxymethyl cellulose-styrene butadiene rubber (CMC-SBR) and polyimide (PI). Electrode performance of composites highly depends on the selection of binder. The Si-based/graphite composite electrode containing PI binder shows very stable cycle stability with the retention higher than 95 % after 30 cycles; however, the capacity of composite electrode with CMC-SBR binder fades to less than 80 % after 20 cycles. The improvement mechanism of PI binder is characterized by SEM, EDS mapping, adhesive strength test, and electric performance test. The surface of anode film does not show crack after several cycles, and the SEI on the surface of Si/SiO_x/C particle is characterized. It is found that anode film peeing off strength matches well with the composite cycle stability. This result is further supported with cell disassembly result. We believe that improvement of anode film adhesion strength is an effective way to get stable long cycle life.     

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.     

白藜芦醇对长期贮存锂离子电池电解液性能的影响

锂离子电池电解液从制造完成到使用,一般都会经历灌装、运输和贮存的过程,了解长期贮存过程对锂离子电池电解液性能的影响,对锂离子电池的生产具有一定的理论指导意义.本文运用电化学阻抗谱(EIS)测试并结合循环伏安法(CV)测试、充放电测试、扫描电子显微镜(SEM)等研究了1 mol.L-1 LiPF6-EC:EMC 基础电解...     

一步固相球磨法制备二硫化钼/石墨二维复合材料及其储锂性能

以商品化二硫化钼(MoS_2)和石墨为原料,首次通过一步固相球磨法制备了MoS_2/石墨二维复合材料。X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱(EDS)测试结果表明,本体MoS_2和石墨在高速固相球磨过程中同时被剥离成较薄的片层,且剥离后的石墨片层均匀分散在MoS_2片层中。制备的MoS_2/石墨复合材料表现出优异的循环稳定性和倍率性能,其中,MoS_2/石墨(质量比7∶3)复合材料在100 mA/g电流密度下,首圈放电比容量801 mA·h/g,充放电循环100圈后仍保持在694 mA·h/g,远优于商品化的本体MoS_2(约110 mA·h/g)。这主要归功于球磨后得到的石墨片层不仅能提高复合材料的导电性,还能有效地抑制MoS_2片层团聚,保持材料的结构稳定性。该方法简便易行、成本低,适合于高性能锂离子电池电极材料的规模化制备。     

以预锂化中间相碳微球为负极的锂离子电容器的电化学性能

以商品活性炭(AC)为正极, 预锂化中间相碳微球(LMCMBs)为负极, 组装成锂离子电容器(LICs). 用X射线衍射(XRD)对LMCMB 电极材料的晶体结构进行了表征和分析, 预锂化量(PIC)小于200 mAh·g^-1 时,LMCMB电极材料基本保持了原始的石墨晶体结构. 利用三电极装置, 测试了充放电过程中LICs 的正、负极及整电容器的电压变化曲线. 以LMCMB为电极, 锂离子电容器负极的工作电压变低, 并且电压曲线更加平坦, 同时正极也可以利用到更低的电压区间. 对比锂离子电容器MCMB/AC, LMCMB/AC在比能量密度、循环性能和库仑效率电化学性能方面都得到了改善. 在电压区间2.0-3.8 V 下, 100 次循环后, 放电比容量的保持率从74.8%增加到100%, 库仑效率从95%增加到100%. LMCMB/AC电容器容量不衰退的直接原因是由于AC正极极化变小. 在2.0-3.8 V和1.5-3.8 V电压区间内, LMCMB/AC锂离子电容器的比能量密度分别可达85.6和97.9 Wh·kg^-1.