考虑介质膨胀速率的锂离子电池管状电极中扩散诱导应力及轴向支反力分析

硅作为锂离子电池阴极材料相对于传统负极材料具有高比容量,价格低廉等优势.本文针对充电过程中锂离子电池中电极建立力学模型和扩散模型,并在扩散模型引入考虑介质膨胀速率的影响.以硅空心柱形电极为例,分析了恒流充电下介质膨胀速率对电极中扩散诱导应力分布的影响,并研究了不同内外半径比、充电速率、材料参数以及锂化诱导软化系数(lithiation induced softening factor,LISF)对轴向的支反力达到临界欧拉屈曲力所需时间的影响.结果表明,随着电极中锂浓度上升,介质膨胀速率对应力分布的影响增大,对轴向的支反力影响较小.弹性模量和应力成正比,但其与轴向的支反力达到临界欧拉屈曲力所需时间无关;扩散系数与所需时间成反比;偏摩尔体积增大时,达到临界屈曲力所需时间减少;随着LISF绝对值增大,完全锂化时轴向力降低.     

纳米颗粒的表面效应和电极颗粒间挤压作用对锂离子电池电压迟滞的影响

硅作为锂离子电池电极材料之一,其应力效应尤为突出,进而将影响电池性能.本文建立了电化学反应-扩散-应力全耦合模型,并研究了恒压充放电条件下扩散诱导应力、表面效应和颗粒间挤压作用对电压迟滞的影响.结果发现,应力及其导致的电压迟滞程度与颗粒尺寸相关.在大颗粒(颗粒半径r 100 nm)中,扩散诱导应力是导致电势迟滞效应的主要因素,这将导致电池能量耗散.对于纳米级小颗粒(r 100 nm)而言,表面效应占据主导,表面效应虽然能缓解电压迟滞,同时却会使驱动电化学反应部分的过电势回线下移,造成锂化容量衰减.本文综合考虑了扩散诱导应力和表面效应,得出:半径为10 nm的颗粒将会使电极具备较好的综合性能.此外,对于硅电极而言,颗粒间挤压作用会使应力回线向压应力状态演化,进而导致锂化容量的衰减.计算结果表明,在电极设计中,对孔隙率设定下限值有助于提升电极性能.     

离子束辅助沉积硅薄膜负极材料的研究

采用离子束辅助沉积法制备了锂离子电池硅薄膜负极材料,研究了硅薄膜的晶体结构、表面形貌和电化学性能.研究结果表明：硅薄膜是非晶态的结构;非晶态硅薄膜发生嵌脱锂反应的电位分别为0.03 V与0.34 V和0.16 V与0.49 V;硅薄膜表现出很高比容量和充放电效率,其可逆比容量和库仑效率分别为3134.4 mAh/g和87.1％;硅薄膜具有优异的循环性能,在0.5C倍率下200次循环后容量保持率为92.2%. 关键词： 硅薄膜 离子束辅助沉积 锂离子电池 负极材料     

集流体塑性变形对锂离子电池双层电极中锂扩散和应力的影响

针对锂离子电池双层电极结构,建立了综合考虑锂扩散、应力、浓度影响的材料属性及集流体弹塑性变形的理论模型.基于所建立的模型,主要研究了在充电过程中集流体可能发生的塑性变形对电极中锂扩散及应力的影响.数值结果表明集流体的塑性变形会减弱其对活性层的约束,这不仅使得集流体和活性层中的应力得到明显缓解,而且还促进了锂在活性层中的扩散,提高了活性层的有效容量.与此同时,研究了集流体的屈服强度和塑性模量这两个参数的影响,结果表明,较小的屈服强度和较小的塑性模量能进一步弱化约束,松弛电极活性层中的应力,并增加其有效充电容量.研究结果为分层电极的结构设计和性能优化提供了一定的参考.     

以碳粉为负极材料制备锂离子电池及电池性能测试

在能量存储技术中,锂离子电池是高能量密度的电化学电源.以碳为负极材料,涂膜制备了负极片,以锂片为正极片制备了CR2016锂离子电池,并对其性能进行了测试,分析了碳粉为锂电负极材料的特性.     

基于电化学-应力耦合模型的锂离子电池硅/碳核壳结构的模拟与优化

硅基电极材料在应用中的一个主要问题是巨大的体积膨胀,以及由此带来的电极材料破裂、粉化.本文在有限变形假设前提下,基于电化学-力学耦合理论,研究球形Si/C核壳结构在嵌锂过程中的浓度、应力场的演化,并在此基础上讨论了核壳结构的优化设计.计算结果显示:壳层可以很好地保护硅颗粒的膨胀;然而核内产生的较大的径向压缩应力可能导致核壳界面的脱黏,而核壳界面处的切向拉伸应力可能会导致壳层的断裂.进一步为有效提高核壳结构的电化学与力学性能,从而实现锂离子电池更长的循环寿命,考虑了两种结构的优化:1)单层核壳结构; 2)双层核壳结构.结果表明对于单层核壳结构应使用更软的包覆层材料;而双层核壳结构中优化的材料布置方案为内软外硬,对双层核壳结构的硬度分析表明,内层材料的杨氏模量应低于10 GPa,而外层材料的应不高于70 GPa.本文的结论对球形材料颗粒电极的设计及优化具有一定的指导意义.     

不同气氛下裂解含苯环聚硅氧烷制备锂离子电池Si-O-C复合负极材料的电池性能研究

在惰性气氛Ar和还原性气氛H₂中通过高温裂解含苯环的聚硅氧烷分别制备了硅氧碳化物Si-O-C复合负极材料,并且采用了元素分析element analysis、广角粉末X射线衍射XRD、傅里叶激光拉曼光谱Raman等手段表征了二者组成和结构的差别.实验发现,在H₂气氛中裂解制备的Si-O-C复合负极含有较高的可逆、较低的不可逆容量,而且可逆容量随温度的增加而增长.其中H₂气氛中1000 ℃情况下制备的Si-O-C复合负极的可逆容量622 mAh/g,首次库仑效率59%.Si-O-C复合负极的不可逆容量与氧的含量相关,可逆容量可能与碳含量及碳结构,以及SiOC中硅的结构相关.在H₂气氛中制备的Si-O-C负极材料是一种潜在的锂离子电池的负极材料. 关键词： 硅氧碳化物 负极材料 锂离子电池     

花状磷酸铁锂的聚乙二醇辅助水热合成及其电化学性能

通过聚乙二醇辅助水热法制备了厚度为200 nm的片状磷酸铁锂晶体,并由此自组装为花状磷酸铁锂颗粒．聚乙二醇在水热体系中作为共溶剂使用,它能有效地降低磷酸铁锂片的厚度,并且作为软模板,使磷酸铁锂片自组装成花状结构．这样的花状磷酸铁锂虽然没经过碳包覆改性,在锂离子电池中仍具有高达140 mAh/g的放电容量,并且表现出优异的循环性能,在循环50次后,容量未出现衰减．这种未经碳包覆的磷酸铁锂材料表现出良好的电化学性能．     

电化学阴极沉积制备氧化钴/CNTs复合电极的准电容特性

采用电化学阴极沉积还原Co(NO3)2的方法制备了具有准电容特性的氧化钴电极材料,其比容量达到280 F／g,采用CNTs作为电极基体,在其表面均匀的沉积了纳米钴化镍颗粒并由此制备了氧化钴碳纳米管复合电极材料.采用循环伏安,恒流充放电,交流阻抗及扫描电镜等方法考察了复合电极材料的容量特性、阻抗特性、自放电特性以及电极表观特征．实验表明复合电极具有良好的电化学特性,CNTs基体在明显降低氧化镍材料的阻抗的同时还提高了电极材料的电化学容量并拓宽了电极材料的有效工作电位窗,复合电极在1 mol／L KOH电解液中比容量达到322 F／g且表现了良好的电化学可逆性．并分别采用氧化钴／CNTs复合电极作为正极,活性炭纤维作为负极制备了复合型电化学电容器,其工作电压达到1．4 V,电容器质量比容量达到47 F／g．在0．1 A／cm2放电时,复合型电容器的能量密度达到10 Wh／kg,兼具高能量特性和优良的大电流放电特性．     

锂离子电池SnSb/MCMB核壳结构负极材料嵌锂性能研究

以酸处理的中间相碳微球(MCMB)为载体, 用化学还原法在碳球表面沉积SnSb合金, 合成SnSb 包覆碳球的核壳结构负极材料. 采用XRD, SEM技术对材料的结构和形貌进行了表征, 用恒电流充放电(CC)、循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)测试了材料的电化学性能. 实验结果表明: SnSb/MCMB样品呈现纳米晶与非晶态的混合组织; 单一SnSb合金的容量衰减较快, 而对于SnSb/MCMB复合材料, 细小的合金颗粒均匀钉扎在MCMB表面, 不仅改善了颗粒的团聚现象, 而且增强了材料的导电能力, 使材料的循环稳定性得到改善, 复合材料具有936.161 mAh/g的首次放电比容量, 首次库仑效率80.3%, 50次循环后容量维持在498.221 mAh/g. 关键词： SnSb合金 锂离子电池 中间相碳微球(MCMB) 电化学性能     

InSb的锂嵌入形成能第一原理计算

InSb材料在近来的锂离子电池负极材料研究中受到了重视.使用基于局域密度泛函理论的第一原理赝势法，计算了锂离子电池非碳类负极材料InSb各种锂嵌入情况时的形成能以及相应的电子结构.讨论了锂嵌入时的体积变化、能带结构、电子态密度以及电荷分布等性质.计算发现，闪锌矿结构的InSb材料，锂嵌入到主体材料的间隙位置时的形成能平均每个锂原子都在2.2eV左右. 关键词： InSb 锂嵌入形成能 电子结构 第一原理计算     

全固态锂离子电池内部热输运研究前沿

本文简要阐述了全固态锂离子电池的特点及其内部热输运研究的意义.介绍并总结了国内外与正极材料、负极材料、固态电解质,以及电极与电解质界面热输运性质相关的实验和理论工作.针对脱嵌锂过程对电极材料热导率的影响机理尚不明确,非晶态转变对电极材料热输运研究的挑战,界面热输运模型与方法不足等问题,系统梳理了全固态锂离子电池内部热输运的重要前沿科学问题.     

SnO2/C复合纳米材料的制备及储钠性质的研究

二氧化锡由于其低电位和高储钠理论容量以及绿色无毒的优点被认为是最有前途钠离子电池负极材料之一。但其导电性不好，且在嵌/脱钠的过程中会发生体积膨胀，从而导致电池的容量和循环稳定性等电化学性能下降。碳具有良好的导电性，同时能减缓材料在脱/嵌钠过程的体积膨胀，本文采用一步合成制备SnO₂/C复合纳米材料，并将其作为钠离子电池的负极材料进行研究。结果发现碳包覆花瓣状SnO₂复合材料相比于纯的SnO₂具有良好的储钠性能     

电泳法制备三维纳米硅/石墨烯锂离子电池负极材料

采用直流电泳技术制备了具有多孔结构的纳米硅/石墨烯三维复合材料,并探究了其作为锂离子电池负极的电化学特性.结果表明:通过控制电泳工艺可以获得硅纳米粒子分散较为均匀的三维复合材料.作为锂离子电池负极,在放电电流密度为100mA/g时,该类复合材料的面容量可达到5.5mAh/cm~2.     

碳热还原法制备V2O3-C双层包覆磷酸铁锂及其电化学性能

通过V₂O₅的碳热还原反应制备了具有优异倍率性能和循环稳定性的V₂O₃-C双层包覆的磷酸铁锂正极材料. 粉末X射线衍射、元素分析、高分辨投射电镜和拉曼光谱研究表明V2O3相与碳层共包覆于磷酸铁锂颗粒表面. 在V₂O₅的碳热还原反应后,碳含量明显降低,但石墨化程度未发生明显改变. 电化学测试结果表明少量V₂O₃显著改善了磷酸铁锂正极材料的倍率性能和高温循环性能,包含1%氧化钒的复合正极材料在0.2 C放电容量为167 mAh/g,5 C时放电容量为129 mAh/g,并且循环稳定性优异;在55 oC和1 C时放电容量为151 mAh/g,循环100次后无明显容量衰减.     

电化学阴极沉积制备氧化镍/碳纳米管复合电极的准电容特性

采用催化裂解的方法制备了碳纳米管,其比容量为12F/g.采用碳纳米管作为电极基体,采用阴极电化学还原Ni(NO3)2的方法在碳纳米管基体表面均匀的沉积了纳米氧化镍颗粒并由此制备了氧化镍碳纳米管复合电极材料.采用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗及扫描电镜等方法考察了复合电极材料的容量特性、阻抗特性、自放电特性以及电极表观特征.实验表明复合电极具有良好的电化学特性,碳纳米管基体在明显降低氧化镍材料的阻抗的同时还提高了电极材料的电化学容量并拓宽了电极材料的有效工作电位窗,复合电极在6mol/LKOH电解液中比容量达到25F/g且表现了良好的电化学可逆性.与碳纳米管基电容器相比,采用氧化镍复合电极材料组装的电容器具有较低的自放电率.     

硅纳米团簇与石墨烯复合结构储锂性能的第一性原理研究

本文采用第一性原理计算方法, 研究了不同晶向硅纳米团簇与石墨烯复合结构稳定性及其储锂性能. 计算了不同高度、大小硅团簇与石墨烯复合结构的结合能, 复合结构中嵌锂吸附能和PDOS. 分析表明, 硅团簇和石墨烯之间形成较强的Si—C键, 其中[111]晶向硅团簇与石墨烯作用的形成能最高, 结构最为稳定. 进一步计算其嵌锂吸附能, 发现硅团簇中靠近石墨烯界面处的储锂位置更加有利于锂的吸附, 由于锂和碳、硅之间有较强电荷转移, 其吸附能明显大于其他储锂位置. 同时在锂嵌入过程中, 由于石墨烯的引入, 明显减小了界面处硅的形变, 有望提高其作为锂电池负极材料的可逆容量.     

基于动态参数响应模型的动力锂离子电池循环容量衰减研究

结合锂离子电池容量衰减主要机制,建立了基于动态参数响应的电化学热耦合模型,研究磷酸铁锂电池循环寿命及电池内部的电化学行为.模型采用恒流恒压充放电制度对电池进行循环充放电仿真计算.结果显示:800次循环后,电池容量衰减率约为6.35%,电池内部固体电解质界面膜阻抗增大了15.6 m?·m~(-2).分别探讨了充放电倍率、负极活性物质颗粒粒径、负极固相体积分数对电池循环寿命的影响.研究表明:400次循环后,相较于1C(C表示充放电倍率)倍率下的容量衰减率3.31%,2C,3C,4C容量衰减率分别达到3.93%,4.69%和5.04%;负极活性颗粒粒径为2和10μm时对应容量衰减率分别为2.89%,3.87%,差值接近1%;固相体积分数在[0.5,0.6]区间内能保持最好的电池循环稳定性和寿命发挥.     

纳米氧化锡负极材料锂化反应机理的原位透射电镜研究

二氧化锡(SnO_2)材料因具有储量丰富、理论容量高、嵌脱锂电位安全等一系列优点,在锂离子电池负极材料研究中受到广泛关注.然而, SnO_2纳米材料在锂化反应过程中的机理,尤其是第一步转化反应是否可逆尚存在争议.本文利用常规水热法成功制备了平均粒径为4.4 nm的SnO_2纳米颗粒,并在透射电子显微镜中构建了微型锂离子电池原型器件,对SnO_2纳米颗粒在充放电过程中的微观形貌和物相演变进行原位表征.实验结果表明, SnO_2纳米颗粒在嵌锂过程中率先生成了纳米尺寸的中间相Sn,随后发生了合金化反应转变为Li_(22)Sn_5相.脱锂反应后, Li_(22)Sn_5相转变为SnO_2.分析认为,纳米晶界阻碍了Sn颗粒的聚集长大,使得Sn和Li_2O能够充分接触,进而使脱锂反应能够完全进行,生成SnO_2.研究结果对于如何提高SnO_2基电极材料可逆比容量和循环性能具有一定的指导意义.     

固体核磁共振技术在锂/钠离子电池碳负极中的应用及研究进展

碳负极材料作为锂/钠离子电池的传统负极材料一直获得广泛的推广和应用,但其仍存在充电时间长、库伦效率低等问题,研究碳负极材料充放电机理是解决这些问题的关键.固体核磁共振（NMR）技术是一种研究固体材料中目标原子所处化学环境以及材料内部结构变化的有效手段.通过测定锂/钠离子电池中⁶Li、⁷Li和²³Na高速魔角旋转（MAS）条件下的固体NMR谱图,能够清晰获得锂/钠离子电池碳负极脱/嵌过程中的结构变化,以及碳原子与Li/Na的配位情况,从而为碳负极材料的设计及其电化学性能的提升提供充分的理论依据.本文综述了近年来固体NMR技术在锂/钠离子电池碳负极材料研究中的应用以及相关研究进展.