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。     

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Sb基负极材料研究进展

Sb基材料作为一类合金机制的锂离子电池负极材料,因具有比容量高、安全性好等优点受到广泛关注。 然而,由于Sb基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问题导致的循环性能不理想,制约了其作为锂离子电池负极材料的商业化应用。 本文综述了近年来在锂离子电池Sb基各类负极材料方面的研究进展,重点介绍了它们的反应机理、合成方法及电化学性能,并对Sb基负极材料的发展方向进行了展望。     

锂离子电池SiO_x(0<x≤2)基负极材料

随着锂离子电池向电动汽车、可再生能源储能系统等大型应用领域发展,锂离子电池的能量密度、功率密度等性能指标需要进一步提高。在负极材料方面,传统的石墨碳负极材料的比容量有限,已经难以满足高能量密度电池的需求。以Si基材料为代表的新型高比容量负极材料受到了人们的广泛关注。其中,Si Ox材料在发挥高比容量的同时,具有相比纯Si更小的体积变化,因而在循环寿命方面更具实用潜力。本文对目前报道的Si Ox基负极材料的研究工作进行总结,系统阐述了Si Ox材料的基本电化学性能、结构模型、电化学机理及合成方法,分类介绍了改进Si Ox材料电化学性能的各类措施,并对其中Si O及无定形Si O2材料进行了重点论述。研究表明,氧含量、歧化程度、表面状态等对Si Ox材料的电化学性能具有重要影响;界面团簇混合(ICM)结构模型可更好地对其电化学机理进行理解;通过与第二相(碳、金属、金属氧化物等)复合,造孔,表面改性(包覆、刻蚀等)及其他手段(改变粘结剂及电解液)可有效提升Si Ox基材料的首次库仑效率和循环性能;部分使用Si Ox基材料的全电池具有循环600次后容量保持率达90%的优秀循环性能。Si Ox基材料已成为一种在高比能量锂离子电池中极具应用潜力的负极材料。     

锂离子电池硅基负极粘结剂发展现状

在锂离子电池负极材料的研究中，硅材料以其高达4200 mAh·g^-1的理论比容量，成为近年来新能源电池领域的研究热点.但是在锂化/去锂化过程中，硅负极体积变化高达300%，导致快速的容量衰减和较短的循环寿命.目前硅负极改性最有效的方法之一，是通过粘结剂来保持活性物质、导电添加剂和集流体间的接触完整性，减少硅材料在充放电循环过程中体积变化引起的裂化和粉碎，保持硅负极的高容量，提升电池循环性能.基于硅材料作为锂离子电池负极的优异特性，以及目前锂离子电池粘结剂的发展，将针对锂离子电池硅基负极粘结剂做出系统讨论，描述不同粘结剂对电池性能的主要影响，为锂离子电池硅基负极粘结剂的开发和应用提供研究方向.     

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.     

石墨烯复合材料在锂离子电池中的研究进展

石墨烯复合材料因其独特的结构和优异的性质被认为是最有潜力的锂离子电池负极材料之一.石墨烯基复合材料是解决充放电过程中的电极体积变化导致电池的循环性能变差这一问题的有效途径.本文作者综述了多种石墨烯基复合材料作为锂离子电池负极时的电化学性能,并展望了未来的研究方向.     

锂离子电池硅基负极及其相关材料

锂离子电池是目前电脑、通讯、消费电子品以及未来电动车动力系统的主要能源。硅基负极材料因其具有较高理论比容量(4200 mAh·g^-1,为石墨10倍以上),被视为最理想的下一代锂离子电池负极材料。然而硅负极在充放电过程中巨大的体积膨胀造成极片材料的粉化脱落、SEI膜的持续增长、正极锂离子的不断消耗,以及现有商业化粘结剂与硅表面较弱的相互作用等诸多缺陷,造成电池容量快速的衰减,阻碍了硅基材料在锂离子电池中的商业化应用。本文对硅基负极材料及其相关电池材料,如硅材料结构、粘结剂、电解液及添加剂等,进行了系统全面的总结。最后对硅基材料目前研究进展和未来发展方向做出总结与评述,以期为下一代硅基电池体系发展提供参考。     

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。     

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。     

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。     

锂离子电池硅复合负极材料研究进展

硅基负极材料具有最高的储锂容量和较低的电压平台,是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一.然而,硅负极巨大的体积效应、较低的电导率以及与常规电解液的不相容性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:通过设计硅基负极材料的组成和微观结构来抑制其体积变化并改善导电性,研发适于硅负极的粘结剂和电解液添加剂,探索...     

锂离子电池高比容量负极用粘结剂

随着锂离子电池向高比能量方向发展,传统的石墨负极材料将逐渐被合金、金属氧化物等高比容量负极材料所取代。高比容量负极材料在循环过程中易产生较大的体积变化,从而导致电极循环性能衰退,限制了其实际应用。除从材料本身入手外,变换粘结剂是改善高比容量负极材料电化学性能的有效途径。本文对近十年来锂离子电池高比容量负极用粘结剂的发展进行了总结。对聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂进行改性处理,提高其黏弹性,可以显著改善电极的电化学性能。与PVDF相比,水性羧甲基纤维素(CMC)粘结剂可以明显提高Si基电极的电化学性能。CMC用作高比容量负极材料粘结剂明显优于PVDF的原因包括其利于电极浆料分散、与电解液不反应以及能够与活性物质之间形成化学键(共价键或氢键)等。同时,CMC本身的结构参数(分子量、取代度、阳离子)、CMC加入量、浆料pH值及电极孔隙率均对CMC电极的性能具有重要影响。聚丙烯酸(PAA)及海藻酸钠粘结剂由于含有更多的羧基(—COOH)基团,对高比容量负极材料具有更好的效果。其他新型粘结剂在高比容量负极性能的提升方面也具有较大潜力。     

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Sn基合金负极材料

发展高安全性、高能量、低成本、长寿命锂离子电池是当前动力电池应用面临的巨大挑战。电池的性能主要取决于正负极电极材料的性能。Sn基合金负极具有高能量和安全特性,是一种很有产业化前景的锂离子电池负极材料。本文综述了Sn基合金电极作为锂离子电池负极的最新研究进展,对Sn基合金负极的不同制备方法进行了总结,重点介绍了锡基合金负极材料在电化学性能方面所存在的问题及其原因,包括锡基活性物质的损失、SEI膜和氧化膜的形成、纳米粒子的团聚和锂离子嵌入过程中死锂的产生等影响合金充放电性能的因素,最后展望了以提高Sn基合金负极电化学性能为目的的研究趋势。     

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。     

锂离子电池硅基复合物负极材料*

作为颇有前途的锂离子电池负极材料,硅基材料的研究日益受到重视。硅基负极材料在充放电循环中体积变化过大导致的循环性能差、首次库仑效率低等始终是阻碍其商业化的主要问题。纳米化、合金化和碳包覆是有效的解决措施。本文详细论述了TiB2、TiN、TiC作为基质的硅-化合物复合物,Fe-Si、Cu-Si、Ni-Si体系的硅-金属复合物和硅-碳复合物的研究进展。在硅-碳复合物的研究上,综述了分别采用热解法、球磨法、球磨-热解法、化学聚合法合成,以聚吡咯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、间苯二酚-甲醛、柠檬酸、环氧树脂等为碳源的研究进展,同时也综述了Si/碳纳米管复合电极材料的研究情况。     

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。     

硅负极黏结剂的研究进展

硅材料在锂离子电池负极中具有极高的应用前景, 当前的挑战是其脱锂嵌锂过程中大幅度的体积变化对负极性能的影响. 本文综合评述了黏结剂策略在解决硅材料体积效应问题方面的独特优势, 探讨了硅用黏结剂的发展历程和多功能趋势, 系统总结了硅用黏结剂在提升硅负极电化学性能上的研究进展, 并对未来硅用黏结剂发展的新思路和新方向进行了展望.