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。     

聚酰亚胺作为锂离子电池硅基负极粘结剂的研究进展

硅基负极材料是提升锂离子电池能量密度的重要材料基础,负极粘结剂性能的优劣是影响硅基负极材料推广应用的关键因素。本文全面综述了锂离子电池负极粘结剂材料的研究及应用进展,详细阐述了粘结剂对于硅基负极材料及锂离子电池电化学性能的影响,简要介绍了目前常用的羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯酸(PAA)、海藻酸盐(Alg)三种硅基负极粘结剂的特点,重点讨论了聚酰亚胺(PI)材料作为负极粘结剂的优势,其分子结构可设计、形变可逆、高强高模等优点有望抑制硅基负极体积膨胀并避免颗粒粉化,系统综述了目前PI在硅基负极粘结剂中的研究进展。在此基础上,为PI粘结剂后续研究提供了新的方法策略,为锂离子电池负极粘结剂的开发和应用提供了新的设计理念。     

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.     

微/纳复合结构硅基负极材料

硅材料因其高的理论比容量(4200 mAh/g)而成为极具发展潜力的锂离子电池负极材料之一。纳米硅负极材料可有效避免材料在循环过程中的粉化现象,同时具有较短的Li~+和电子传输路径,相应电极的电化学性能与微米硅电极相比显著提升,但是纳米结构硅材料比表面积过大、振实密度低等特点限制了其在实际生产中的应用。近年来,使用纳米结构硅材料作为一次结构单元构建微/纳复合结构硅基负极材料的策略被广泛研究。本文综述了微/纳复合结构硅基负极材料的研究进展,总结了微/纳复合结构硅基负极材料中一次颗粒和二次颗粒的选择与结构设计要素,并对具有代表性的微/纳复合结构硅基负极材料物理和电化学性能进行了介绍,提出优化的材料结构和电极设计方案。最后,对微/纳复合结构硅基负极材料存在问题进行简单分析并展望了其研究前景。     

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。     

二次离子电池高比容量负极碳载体的研究进展

二次离子电池商业化负极石墨的比容量已接近理论比容量. 合金型负极和金属负极因具有高比容量而受到广泛关注, 但其循环性能差和安全性问题限制了实际应用, 据此提出载体设计策略. 碳材料具有来源广泛、 易于调控等特性, 常用作二次离子电池高比容量负极的载体. 本文从碳载体的孔结构、 比表面积、 电子导电率、 离子导电率、 杂原子掺杂和界面修饰的角度出发, 综述了其在硅基、 磷基、 锗基、 锡基负极以及金属锂、 钠等负极中的研究进展, 展望了碳载体的发展前景和方向.     

锂离子电池锡-金属-碳复合负极材料

石墨作为锂离子电池的负极材料已经使用了很长时间。但由于其嵌锂容量低,已不能满足动力电池快速发展的需求。而锡可以与锂形成合金,有可能取代石墨成为下一代锂离子电池负极材料。但是单纯的金属锡在电池循环过程中发生巨大的体积变化,容易导致电极材料的粉化。而碳材料具有较高的导电性,良好的机械性能和储锂性能。为了充分发挥金属锡和碳材料的优势,锡-碳(Sn-C)复合材料得到了广泛研究。本文详细介绍了无定型碳、石墨(G)、石墨烯(GP)、碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)等碳材料作为惰性的导电基体与锡形成的二元复合物,阐述了锡与其它金属(M)形成的碳基三元、多元复合物的结构和性能。通过总结近些年对锡碳复合物结构与性能的研究,相信多元复合和多种结构的应用是提高锡-碳复合负极材料的关键。其中,以Sn-Co-C为基础的多元复合负极材料最有可能走向市场应用。     

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

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.     

BaFeSi/C复合物作为锂离子电池负极材料的研究

采用机械球磨法制备BaFeSi/C复合物,并考察了其作为锂离子电池负极材料的电化学性能.结果表明,这种复合材料具有较高的初始放电容量、合适的充放电平台和良好的循环可逆性.XRD和XPS研究证明:BaFeSi/C复合物循环性能的提高主要源于惰性导电组分FeSi2、BaSi2和外层石墨骨架的协同作用,它们的存在不仅有效地缓冲了活性组分硅的体积变化,同时在很大程度上增强了复合材料的电子导电性和离子导电性.     

Robust Aqua Material: A Pressure‐Resistant Self‐Assembled Membrane for Water Purification

“Aqua materials” that contain water as their major component and are as robust as conventional plastics are highly desirable. Yet, the ability of such systems to withstand harsh conditions, for example, high pressures typical of industrial applications has not been demonstrated. We show that a hydrogel‐like membrane self‐assembled from an aromatic amphiphile and colloidal Nafion is capable of purifying water from organic molecules, including pharmaceuticals, and heavy metals in a very wide range of concentrations. Remarkably, the membrane can sustain high pressures, retaining its function. The robustness and functionality of the water‐based self‐assembled array advances the idea that aqua materials can be very strong and suitable for demanding industrial applications.     

Synthesis and electrochemical performances of amorphous carbon-coated Sn–Sb particles as anode material for lithium-ion batteries

The amorphous carbon coating on the Sn–Sb particles was prepared from aqueous glucose solutions using a hydrothermal method. Because the outer layer carbon of composite materials is loose cotton-like and porous-like, it can accommodate the expansion and contraction of active materials to maintain the stability of the structure, and hinder effectively the aggregation of nano-sized alloy particles. The as-prepared composite materials show much improved electrochemical performances as anode materials for lithium-ion batteries compared with Sn–Sb alloy and carbon alone. This amorphous carbon-coated Sn–Sb particle is extremely promising anode materials for lithium secondary batteries and has a high potentiality in the future use.     

Synthesis of poly{[bis(diethynylphenyl)silylene]phenylene}s with highly heat-resistant properties and an application to conducting materials

Poly{[bis(3,5-diethynylphenyl)silylene]-p-phenylene} was prepared by the reaction of poly[(diethoxysilylene)-p-phenylene] with 3,5-bis(trimethylsilylethynyl)phenyllithium, followed by desilylation of the resulting substitution product. The present polymer exhibited extremely high heat-resistance and their thermogravimetric analysis (TGA) in a nitrogen atmosphere showed the temperature of 5% weight loss (Td₅) of 791 °C. Total weight loss at 1000 °C in TGA was determined to be 6% based on the initial weight. Treatment of a polymer film on a quartz plate at 1200 °C in vacuo led to the formation of a conducting thin film with a thickness of 74 nm and a conductivity of 9 S/cm.     

A 3D Organically Synthesized Porous Carbon Material for Lithium‐Ion Batteries

We report the first organically synthesized sp–sp³ hybridized porous carbon, OSPC‐1. This new carbon shows electron conductivity, high porosity, the highest uptake of lithium ions of any carbon material to‐date, and the ability to inhibit dangerous lithium dendrite formation. The new carbon exhibits exceptional potential as anode material for lithium‐ion batteries (LIBs) with high capacity, excellent rate capability, long cycle life, and potential for improved safety performance.     

Se-directed synthesis of polymeric carbon nitride with potential applications in heavy metal-containing industrial sewage treatment

By calcining melamine at 500 °C with selenium powder as the structure director, polymeric carbon nitride could be prepared with enhanced specific surface area and mesoporous volume. Compared with the material fabricated without Se, this cost-effective Se-incorporated PCN (PCN-Se) could adsorb heavy metals (such as Ni, Cu and Pb) much more efficiently. Materials characterizations such as SEM, TEM and XPS demonstrated that the enlarged specific surface area and total mesoporous volume as well as the interaction of the incorporated Se with the metals via coordination should be the promoting factors for the advanced performances of the novel materials.     

高折射率聚合物-无机纳米光学杂化材料的设计与制备及其应用

传统的高折射率聚合物光学材料,可以通过向聚合物中引入一些芳香环,含硫基团以及除氟以外的其他卤素原子来提高聚合物光学材料的折射率,但是就目前的研究现状来看,这类纯聚合物光学材料的折射率一般都低于1.8.而将具有高折射率的无机纳米粒子引入到聚合物中,所制备的聚合物-无机纳米光学材料的折射率能够达到1.8以上.而且这类高折射率聚合物-无机纳米光学杂化材料同时具有高分子光学材料和无机材料的双重优点,具有广泛的应用前景.鉴于当前高折射率聚合物-无机纳米光学杂化材料发展之迅速和其研究与开发的重要性,并结合目前国内外的研究现状,本文就高折射率聚合物-无机纳米光学杂化材料的设计、制备方法及其相关应用做一个比较系统的介绍,同时对这类材料在未来研究中所应注意的问题也提出了相应的看法.