锂离子电池硅纳米线负极材料研究
纳米结构的锂离子电池正负极材料研究
纳米结构的锂离子电池正负极材料研究近几年，锂离子电池成为了各种电子设备的必备元件，同时也受到了新能源汽车领域的广泛应用。
锂离子电池最核心的组成部分是电极材料，其中正极材料和负极材料在电池中分别承担着不同的功能。
本文将探讨现阶段的研究与应用中，锂离子电池正负极材料中纳米结构的研究进展及其影响。
1、锂离子电池基本结构锂离子电池由正极、负极、电解质和隔膜四部分构成。
其中，正极材料是锂离子电池的一个关键组成部分，其主要的作用就是在电池放电过程中，承担着锂离子的嵌入和脱出功能。
而负极材料则在电池充电时承担着锂离子的嵌入和脱出功能。
2、纳米结构在锂离子电池中的应用纳米材料因其特殊的结构和性质，成为了电池领域中一个研究热点。
纳米结构的材料具有很高的比表面积和更好的电化学反应活性，可以显著提高锂离子电池的性能。
目前，利用纳米结构制备的正负极材料已经在实际应用中得到广泛的应用。
3、正极材料中的纳米结构在正极材料中，传统的锂离子电池采用的是具有层状结构的材料，如三元材料和四元材料等。
而在纳米材料的应用下，锂离子电池正极材料中也出现了新的纳米结构材料，如纳米钻石和纳米钛酸锂等。
这些新材料都具有更高的比表面积和更好的电化学反应活性。
4、负极材料中的纳米结构在负极材料中，最常用的材料为石墨。
而在纳米材料的应用下，也出现了一些纳米石墨和其他纳米碳材料。
这些纳米材料因具有更高的比表面积和更优异的电化学反应活性，可以大大提高锂离子电池的性能，增加电池的容量和寿命。
5、纳米材料制备技术纳米材料的制备技术是纳米结构电极材料研究的核心。
目前，常用的纳米材料制备方法有物理方法、化学方法和生物方法等。
化学方法和物理方法可以产生高质量的纳米材料，同时也具有工业化生产的潜力。
6、总结本文系统的调查和阐述了现阶段纳米结构的锂离子电极材料研究热点问题并对其进行了思考和探讨。
可以看到，目前锂离子电池正负极材料中纳米结构的研究已非常成熟，同时着眼未来，纳米材料的制备和应用还将会有很大的进步和创新，这将使锂离子电池在实际应用中大大提高其性能和可靠性，从而推动了其在新能源汽车领域中的广泛应用。
锂离子电池纳米负极材料研究的开题报告
锂离子电池纳米负极材料研究的开题报告一、研究背景随着电动汽车、移动设备、储能系统等领域的迅速发展，锂离子电池作为主流的电池类型，由于其高能量密度、长使用寿命、较低自放电率等优点受到了广泛关注。
其中，负极材料是影响锂离子电池性能和寿命的关键因素之一。
传统的锂离子电池负极材料主要为石墨，但其容量有限，不能满足大容量、高能量密度等需求。
因此，研究新型的纳米负极材料，成为了当前锂离子电池领域的研究热点。
二、研究目的本研究旨在探索一种新型的锂离子电池纳米负极材料，以提高锂离子电池的能量密度和使用寿命。
具体目的如下：1.合成纳米负极材料，优化其物化性质；2.研究纳米负极材料的电化学性能和容量储存特性；3.探索优化纳米负极材料的制备工艺和性能。
三、研究内容1.纳米负极材料的合成：采用化学还原法、溶胶-凝胶法等方法，制备纳米负极材料。
2.纳米负极材料的物化性质研究：运用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等手段，对合成的纳米负极材料的形貌、晶体结构、化学性质等进行表征。
3.纳米负极材料电化学性能研究：使用循环伏安法(CV)、电化学阻抗谱(EIS)和恒流充放电测试等方法，对纳米负极材料的电化学性能和电容储存特性进行测试，并对其性能与流动电解液、电池结构等因素之间的关系进行探究。
4.制备工艺和性能优化：根据研究需要，对纳米负极材料的制备过程和性能进行优化，并进一步探索其可能的应用场景。
四、研究意义本研究将为锂离子电池领域提供一种新型纳米负极材料，有望在提高电池能量密度、延长电池使用寿命等方面具有重要的应用价值。
同时，研究过程中所涉及的纳米材料合成、表征和电化学性能测试等技术，也将对纳米材料和电化学领域的研究有一定推动作用。
锂离子电池负极主要材料
锂离子电池负极主要材料一、引言锂离子电池是一种广泛应用于移动电子设备、电动汽车等领域的高性能电池。
其由正极、负极、隔膜和电解液组成，其中负极是锂离子电池的重要组成部分。
本文将主要介绍锂离子电池负极的主要材料。
二、锂离子电池负极的作用锂离子电池负极是存储和释放锂离子的关键部分，其主要作用是在充放电过程中，通过嵌入和脱嵌过程来实现锂离子的存储和释放。
因此，选择合适的材料作为锂离子电池负极材料非常重要。
三、石墨石墨是目前应用最广泛的锂离子电池负极材料之一。
它具有良好的导电性能、化学稳定性和可靠性，并且价格相对较低。
石墨通常采用天然石墨或人造石墨制备，其中天然石墨主要包括颗粒状天然石墨和结晶状天然石墨。
人造石墨则是通过高温石墨化处理来制备的。
四、硅基材料硅基材料是一种新型的锂离子电池负极材料，其具有较高的理论比容量和能量密度。
但是，硅基材料在充放电过程中会发生体积扩大和收缩，导致电极破裂和损坏。
因此，目前主要采用的是硅纳米颗粒、硅纳米线等微纳米级别的材料来制备锂离子电池负极。
五、碳纤维碳纤维作为一种高强度、轻质的材料，近年来也被广泛应用于锂离子电池负极领域。
碳纤维具有良好的导电性能和机械性能，并且可以有效地嵌入和脱嵌锂离子。
但是，碳纤维成本相对较高，并且在充放电过程中也会出现体积变化问题。
六、金属氧化物金属氧化物作为一种新型的锂离子电池负极材料，在近年来也得到了广泛关注。
金属氧化物具有良好的电化学性能和稳定性，并且可以实现高比容量和长循环寿命。
目前常用的金属氧化物材料包括钛酸锂、钒氧化物、二氧化锰等。
七、其他材料除了上述几种主要的锂离子电池负极材料外，还有一些其他的材料也被应用于锂离子电池负极领域。
例如，石墨烯、碳纳米管等新型纳米材料，以及聚合物、聚合物复合材料等。
八、总结锂离子电池负极作为锂离子电池的重要组成部分，其主要材料包括石墨、硅基材料、碳纤维、金属氧化物等。
不同的材料具有不同的优缺点，在实际应用中需要根据具体情况进行选择。
锂离子电池负极材料的研究及应用进展
锂离子电池负极材料的研究及应用进展一、本文概述随着全球能源危机和环境污染问题日益严重，可再生能源及其存储技术受到了广泛关注。
锂离子电池作为一种高效、环保的能源存储技术，广泛应用于电动汽车、移动电子设备以及大规模储能系统中。
而负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，其性能直接影响着电池的能量密度、循环寿命和安全性。
因此，研究和开发高性能的锂离子电池负极材料对提升电池性能、推动锂离子电池技术的发展具有重要意义。
本文旨在综述锂离子电池负极材料的研究现状和应用进展。
我们将简要介绍锂离子电池的基本工作原理和负极材料的主要性能指标。
然后，我们将重点综述各类负极材料的制备方法、性能特点以及在实际应用中的表现。
在此基础上，我们将讨论当前负极材料研究领域的热点问题和发展趋势，包括硅基负极材料、锂金属负极材料以及新型二维负极材料等。
我们将展望锂离子电池负极材料的未来发展方向，以期为相关领域的科研工作者和工程技术人员提供有益的参考和启示。
二、锂离子电池负极材料分类锂离子电池的负极材料是影响电池性能的关键因素之一，其性能直接影响到电池的容量、能量密度、循环寿命和安全性能。
根据材料的性质和应用需求，锂离子电池的负极材料主要分为以下几类：碳材料：碳材料是目前商业化锂离子电池中应用最广泛的负极材料，主要包括石墨、软碳和硬碳等。
石墨具有良好的层状结构，可以提供较高的比容量和良好的循环稳定性。
软碳和硬碳则具有较好的嵌锂能力和较高的能量密度。
合金材料：合金材料如锡、硅、锗等具有较高的理论比容量，是下一代锂离子电池负极材料的热门候选。
然而，合金材料在充放电过程中存在较大的体积变化，容易导致电池循环寿命下降。
目前的研究主要集中在如何缓解合金材料的体积变化和提高其循环稳定性。
氧化物材料：氧化物材料如过渡金属氧化物（如CoO、Fe2O3等）和锂氧化物（如Li4Ti5O12）等也具有一定的应用潜力。
这些材料具有较高的能量密度和良好的循环稳定性，但导电性较差，需要进行改性以提高其电化学性能。
锂离子电池纳米结构负极材料的制备、表征及性能研究的开题报告
锂离子电池纳米结构负极材料的制备、表征及性能研究的开题报告一、研究背景和意义锂离子电池是一种重要的储能设备，广泛应用于移动电子产品、插电混合动力汽车等。
随着能源需求的不断增长，锂离子电池的性能和可靠性成为制约其应用的主要因素之一，尤其是负极材料对锂离子电池性能的影响至关重要。
目前，锂离子电池负极材料主要是石墨、硅和金属氧化物等，其中石墨作为一种传统的负极材料，具有结构稳定、价格低廉等优点。
但是，石墨在充放电过程中会发生结构变化、容量衰减等问题，限制了锂离子电池的性能。
因此，研究开发新型的锂离子电池负极材料具有重要的意义。
近年来，纳米技术被广泛应用于锂离子电池负极材料的研究中。
纳米结构材料具有高比表面积、更高的反应活性、更快的离子传输速度等优点，可以显著提升锂离子电池的性能。
因此，研究锂离子电池纳米结构负极材料的制备、表征及性能，对于提升锂离子电池的能量密度和循环寿命具有重要的意义。
二、研究内容和方法(一)研究内容本研究将围绕锂离子电池纳米结构负极材料展开，主要包括以下几个方面的内容：1.纳米结构负极材料的制备方法研究。
本研究将通过水热法、溶胶-凝胶法等方法制备锂离子电池负极材料，并比较不同方法制备的材料的性能差异。
2.纳米结构负极材料的表征分析。
本研究将采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)等技术对制备的材料进行表征，确定其物理和化学性质。
3.纳米结构负极材料的电化学性能研究。
本研究将通过循环伏安(CV)、恒流充放电等电化学测试手段，评估制备的纳米结构负极材料在锂离子电池中的性能表现，包括容量、循环寿命、能量密度等。
(二)研究方法1.材料制备方法。
采用水热法、溶胶-凝胶法等方法制备锂离子电池纳米结构负极材料。
2.材料表征技术。
采用SEM、TEM、XRD、TGA等技术对制备的材料进行形貌分析、物相分析、结构分析、热稳定性分析等。
3.电化学性能测试。
锂离子电池硅基负极材料的纳米化和合金化探索
锂离子电池硅基负极材料的纳米化和合金化探索1 前言：锂离子电池具有无记忆效应、自放电小、电压高、循环寿命长、环境友好等优点，是目前消费类电子产品的主要电源，正逐步向混合动力汽车、纯电动汽车和大规模储能领域扩展。
现有的商业化锂离子电池大多采用石墨作为负极材料，但其理论电化学储锂容量仅为372 mAh /g，远不能满足锂离子电池进一步提高能量密度的需求。
因此，发展新型高容量锂离子电池负极材料迫在眉睫。
Si作为锂离子电池负极材料，具有以下优点:① 储量丰富，在自然界中，Si占地壳总质量的四分之一以上。
② 原料成本低，且提炼Si的工艺相当成熟。
③ 电化学储锂容量高。
根据Li-Si 合金相图，Li最多可与Si形成化学计量比为Li22 Si5的合金，最高的理论电化学容量可达4199 mAh /g。
实验结果显示，在室温下，Si的电化学嵌锂产物是化学计量比为 Li15 Si4的合金，相应的理论电化学容量为3579 mAh/g，接近石墨负极材料的10倍。
④ 充放电电压平台较低，对锂电位为～0.5V，表面析锂可能性小，安全性要优于石墨材料。
基于以上优点，Si被认为是最具发展潜力的一种新型高容量锂离子电池负极材料。
然而，在电化学储锂过程中，Si与Li结合形成合金相过程的体积变化高达400%，巨大的体积效应会造成严重的机械应力，导致硅颗粒出现粉化，降低电极活性材料颗粒之间以及活性材料与集流体之间的电接触性能，使充放电过程中不能进行完全的脱嵌锂，电极的循环可逆容量迅速下降。
同时，颗粒粉化使得Si负极材料不断暴露出新鲜表面，其与电解质反应形成SEI膜，导致合金的本征容量下降和电解质损失。
此外，Si 的导电性能较差，电导率仅为6.7×10-4S/cm，严重影响其动力学性能。
这些缺点大大阻碍了Si基锂离子电池负极材料的实用化进程。
为了改善Si负极材料的电化学储锂性能，研究人员开展了大量的研究工作，其中，纳米化和合金化被证明是改善Si基锂离子电池负极材料的两种重要途径。
锂离子电池纳米结构负极材料的研究的开题报告
锂离子电池纳米结构负极材料的研究的开题报告本开题报告将论述锂离子电池纳米结构负极材料的研究。
一、研究背景随着移动设备、电动车辆等电子产品的广泛应用，锂离子电池作为一种高能量、高效率的储能器材，已经成为人们的生活和工作中不可或缺的一部分。
然而，传统的锂电池负极材料，如石墨和类石墨材料等存在容量不足、安全性较差等问题。
因此，发展新型的锂离子电池负极材料已成为科学界和工业界的热点问题，其中纳米结构材料由于其特殊的结构和性能表现出了广阔的发展前景。
二、研究目的本研究旨在通过制备纳米结构负极材料，探究其对锂离子电池容量、性能和安全性等方面的影响，并同时从原材料选用、制备工艺、结构设计等不同层面入手，探究纳米结构材料的优化和制备技术。
三、研究内容1. 纳米结构锂离子电池负极材料的制备工艺研究2. 纳米结构负极材料的性能表征和分析3. 纳米结构负极材料对电池性能（容量、循环寿命等）的影响分析4. 纳米结构负极材料的安全性能评估与分析四、研究意义本研究将有助于了解纳米结构材料在锂离子电池中的应用和优化技术，优化锂离子电池的性能和安全性能，并为未来新型电池的研究和发展提供有益的参考。
五、研究方法和技术路线本研究使用化学合成和物理制备等方法，对纳米结构材料进行制备和表征，测试其电化学性能和循环寿命，通过各种先进的材料表征手段，如透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等，对材料结构进行分析和表征。
六、预期成果本研究预计得到纳米结构锂离子电池负极材料的制备技术研究，材料性能表征和分析研究，纳米结构负极材料对电池性能影响分析和安全性能评估分析等成果，并为未来新型电池材料研究和应用提供有益借鉴。
锂离子电池新型负极材料的研究
锂离子电池新型负极材料的研究本文着重介绍了锂离子电池负极材料金属基（Sn基材料、Si基材料）、钛酸锂、碳材料（碳纳米管、石墨烯等）的性能、优缺点及改进方法，并对这些负极材料的应用作了进一步展望。
锂离子电池因具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长、自放电小及环境友好等显著优点，已被广泛用于3C电子产品(Computer，ConsumerElectronic和Communication)、储能设备、电动汽车及船用领域。
锂离子电池的能量密度（170Wh/kg），约为传统铅酸蓄电池的3～4倍，使其在动力电源领域具有较强的吸引力。
而负极材料的能量密度是影响锂离子电池能量密度的主要因素之一，可见负极材料在锂离子电池化学体系中起着至关重要的作用，其中研究较为广泛的锂离子电池负极材料为金属基（Sn基材料、Si基材料）、钛酸锂、碳材料（碳纳米管、石墨烯等）等负极材料。
金属基材料1.1锡基材料目前锡基负极材料主要有锡氧化物和锡合金等。
1.1.1锡氧化物SnO2因具有较高的理论比容量（781mAh/g）而备受关注，然而，其在应用过程中也存在一些问题：首次不可逆容量大、嵌锂时会存在较大的体积效应（体积膨胀250%～300%）、循环过程中容易团聚等。
研究表明，通过制备复合材料，可以有效抑制SnO2颗粒的团聚，同时还能缓解嵌锂时的体积效应，提高SnO2的电化学稳定性。
Zhou等通过化学沉积和高温烧结法制备SnO2/石墨复合材料，其在100mA/g的电流密度下，比容量可达450mAh/g以上，在2400mA/g电流密度下，可逆比容量超过230mAh/g，实验表明，石墨作为载体，不仅能将SnO2颗粒分散得更均匀，而且能有效抑制颗粒团聚，提高材料的循环稳定性。
1.1.2锡合金SnCoC是Sn合金负极材料中商业化较成功的一类材料，其将Sn、Co、C三种元素在原子水平上均匀混合，并非晶化处理而得，该材料能有效抑制充放电过程中电极材料的体积变化，提高循环寿命。
硅纳米线 锂电池负极
硅纳米线锂电池负极随着科技的进步和社会的发展，人们对于电池的需求逐渐增大，其中最为常见的一类电池便是锂电池。
而在锂电池的构成中，负极材料是至关重要的一部分，它直接影响到电池的性能和寿命。
硅纳米线作为一种新兴的材料，其在锂电池负极领域的应用愈来愈广泛，并且具有优良的性能和可持续性。
一、硅纳米线的性质硅纳米线是由硅原子组成的一种纳米材料，尺寸通常在10纳米至10微米之间。
它的特点是具有极高的比表面积、导电性能良好、硅骨架稳定、可逆性良好以及重量轻等。
这些优良的性质与硅金属的机械、热力学和电化学特性有关。
二、硅纳米线在锂电池中的应用由于硅纳米线具备优异的物理、化学和电学性质，因此它被广泛研究和应用于锂电池的负极中。
与传统负极材料相比，硅纳米线具有以下优点：1. 较高的存储容量硅纳米线具有较高的储存容量，其理论比电容达到4200mAh/g，比传统碳材料的理论比能达到近10倍。
2. 更高的导电率硅纳米线的导电率比传统负极材料高出许多，这使得其能够更快地将电能传递到正极。
3. 更好的循环性能由于硅纳米线具有良好的可逆性能，相较其他材料，其电池的使用寿命更长。
4. 稳定性较好硅纳米线负极在锂离子的嵌入和脱出过程中具有更高的稳定性，从而能够保证锂电池的长期稳定性。
三、硅纳米线在锂电池中的制备方法通过化学法、物理法和电化学方法等多种手段，可制备出不同尺寸、形状、结构和组成的硅纳米线。
其中，化学气相沉积法、溶胶-凝胶法和单体溶胶法等是目前应用较为广泛的制备方法。
四、硅纳米线锂电池的前景硅纳米线锂电池在能量密度、功率密度、寿命等方面具有优势并且是未来发展的方向之一。
硅纳米线锂电池能够克服锂离子电池的瓶颈限制，提高电池的性能和容量。
同时，硅纳米线锂电池还具有良好的可重复制和可规模化生产等优势。
总之，硅纳米线作为一种新兴的材料，在锂电池负极中的应用前景十分广阔。
尽管该技术还需要更多的改进和研究，但是它的优良性能和可持续性，将极大地推动电池技术的发展和革新，更好地满足人们对电力的需求，为人类的生产和生活带来更多的便利和舒适。
锂离子电池多孔硅基负极材料的研究
锂离子电池多孔硅基负极材料的研究一、本文概述随着电动汽车、便携式电子设备等领域的快速发展，对锂离子电池的能量密度、循环寿命和安全性能等要求越来越高。
负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，其性能直接影响电池的整体性能。
多孔硅基负极材料因其高比容量、低嵌锂电位和良好的循环稳定性等优点，被公认为是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。
然而，多孔硅基负极材料在充放电过程中存在的体积膨胀、首次库伦效率低等问题，限制了其商业化应用。
因此，对锂离子电池多孔硅基负极材料的研究具有重要的理论价值和实际应用意义。
本文旨在全面探讨锂离子电池多孔硅基负极材料的制备方法、结构表征、电化学性能及其改性研究等方面，以期为提高多孔硅基负极材料的综合性能提供理论支持和实践指导。
我们将介绍多孔硅基负极材料的制备技术，包括物理法、化学法和模板法等，并分析各种制备方法的优缺点。
接着，我们将重点讨论多孔硅基负极材料的结构特征和电化学性能，包括比容量、循环稳定性、倍率性能等，并探讨其影响因素。
在此基础上，我们将综述多孔硅基负极材料的改性研究，如表面包覆、掺杂、复合等，以提高其电化学性能。
我们将展望多孔硅基负极材料在未来的发展趋势和应用前景。
通过本文的研究，我们期望能够为锂离子电池多孔硅基负极材料的研发和应用提供有益的参考和启示，推动锂离子电池技术的持续发展和进步。
二、多孔硅基负极材料的制备方法多孔硅基负极材料因其高比容量和优秀的循环稳定性，在锂离子电池领域具有广泛的应用前景。
多孔硅基负极材料的制备方法多种多样，主要包括化学气相沉积法、模板法、溶胶凝胶法以及镁热还原法等。
化学气相沉积法（CVD）是一种在气态条件下，通过化学反应生成固态物质并沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。
通过控制反应气体的配比、流量以及沉积温度等参数，可以精确调控多孔硅的孔径和孔结构，从而得到理想的负极材料。
模板法是一种利用具有特定孔结构的物质作为模板，通过物理或化学方法将所需材料填充到模板的孔洞中，随后移除模板，得到具有相应孔结构的目标材料的方法。
锂离子电池硅基负极材料研究与进展
Research progress in silicon -based anode materials for lithium -ion batteries
HAO Haobo 1,2 , CHEN Huimin 1 , XIA Gaoqiang 2 , FAN Xiecheng 2 , ZHAO Peng 1,2
Key words: lithium-ion battery; silicon anode material; review; SiO; carbon coating
收稿日期: 2020-10-15
基金项目: 新疆维吾尔自治区高校科研计划科学研究重点项目(XJEDU2019I025)
通信作者: 陈惠敏, 教授, 主要从事功能材料的制备研究。 E-mail: chm@ cjc. edu. cn
为了克服纯硅负极材料在锂离子电池应用中存在的
这些缺陷, 提高锂离子电池性能, 研究者进行了多种改
进研究, 包括硅的纳米化
成硅 / 金 属 合 金
覆
[28-34]
[23-27]
[8-17]
, 合成氧化亚硅
[18-22]
, 合
以及对硅材料进行表面碳包
。 本文对锂离子电池硅基负极材料的研究进展进
行了综述, 并对硅基负极材料的发展趋势进行了展望。
摘 要: 随着消费类电子产品及新能源汽车的发展, 高能量密度的锂离子电池逐步成为了研究热点。 当前使用的石
墨负极材料的理论比容量为 372 mAh / g, 亟需研发高容量的负极材料。 硅作为负极材料, 其比容量为石墨的 10 倍,
且脱锂电位低, 被认为是最具潜力的新型负极材料。 纯硅负极材料在锂离子电池应用中, 由于其巨大的体积膨胀效
硅基锂离子电池负极材料的研究进展
TheSocialAngle 社会广角Cutting Edge Education 教育前沿 31硅基锂离子电池负极材料的研究进展文/张梓涵摘要：硅基材料理论比容量高达4200mAh/g，是锂离子电池负极材料中理论比容量最高的研究体系。
又因其具有低嵌锂电位、高能量密度，硅基材料成为了近些年来被广泛研究的对象，有望替代碳负极材料成为新一代锂离子电池负极材料的选择之一。
但同时在电化学循环过程中，锂离子的嵌入和脱出会使材料体积发生巨大的体积膨胀（300%以上），使材料逐渐粉化，导致电极活性物质与集流体失去接触，并且伴随着结构的破坏，暴露出的硅表面不断形成新的SEI膜，加剧了硅的容量衰减，因而导致电池循环性能的恶化。
本文介绍了硅作为锂离子电池负极材料的相关储能以及失效机理，重点综述了近几年来针对硅基负极材料出现的问题所进行的改性研究，涵盖硅复合材料的制备、性能与不同维度的结构设计等等，并对硅基负极材料在未来领域的应用做出了展望。
关键词：硅基负极材料；锂离子电池1 硅基负极材料工作原理及挑战在现今各种储能电池技术中，锂离子电池具有能量密度高、工作电压高（3.6v 左右）、使用寿命长、无记忆效应、快速可逆充放电、高库伦效率、环境友好（无铅、浓硫酸以及重金属污染物）、政府政策支持等优势，这使其在众多储能系统中脱颖而出，并已在小型电子产品如手机,笔记本电脑及数码相机等中得到广泛应用。
随着科技的进步和需求的增长, 锂离子电池从电子终端设备走向电动汽车和储能技术领域已经成为必然。
这就意味着电子设备对能量密度的需求随之提高，所以提高锂离子电池的能量密度自然成为了重中之重。
锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜、集流体和封装材料等组成。
负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，对电池使用性能起到关键作用，近些年来被广泛研究。
现今主流的锂离子电池负极材料主要为石墨负极材料，其比容量为372mAh/g，远不能满足市场对下一代高能量密度锂离子电池的续航能力要求。
锂离子电池纳米级硅负极的研究进展
Research progress of nano-silicon based anode materials for lithium ion batteries
ZHOU Xiang-yang, TANG Jing-jing, YANG Juan*, WANG Song-can, XIE Jing (School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha Hunan 410083, China)
L.Wang 等 [18] 人以商业化纳米硅为原料，以聚丙烯腈 (PAN)为碳源，采用静电纺丝技术制备了 PAN/Si 纳米纤维， 在此基础上进行了热处理后，得到了 C/Si 纳米纤维。研究发 现，随着硅含量的增加，硅在有机试剂中的分散性变差，造成 纳米硅的大量团聚，这必然会影响材料电化学性能。但与采用 机械法合成的 C/Si 负极材料相比，采用静电纺丝而制备的纤 维状负极材料，纳米硅可以更为均一的分散在碳纤维中，从而 表现出较好的电化学性能。
文章介绍了近年来纳米级硅负极作为锂离子电池负极材料的最新研究进展包括纳米硅颗粒硅纳米线硅纳米管及纳米硅薄膜分析了纳米硅作为锂离子电池负极材料存在的问题总结了纳米级硅作为锂离子电池负极较为可行的研究方法展望了纳米硅作为高能量密度锂离子电池负极材料的研究前景
综
述
锂离子电池纳米级硅负极的研究进展
周向阳， 唐晶晶， 杨 娟 *， 王松灿， 谢 静 (中南大学 冶金科学与工程学院，湖南 长沙 410083)
１．２ 纳米硅颗粒 ／ 无机物复合材料
此种复合材料所采用的第二相为无机物，且无机物通常 呈平面网状、线状或管状，该类第二相无机物不但为纳米硅颗 粒提供附着点，更重要的是可以作为纳米硅的机械支撑，并且 提供有效的电子及锂离子转移通道。
关于锂离子电池负极材料的研究分析
关于锂离子电池负极材料的研究分析摘要：锂离子电池是绿色环保的可充电电池系统之一，具有电压高，循环寿命长，毒性低和安全性高的优点。
负极材料是锂离子电池的重要组成部分，传统商业石墨具有价格低廉和导电性好的优点，是最广泛的工业负极材料。
然而，石墨的放电容量较低，这限制了其在高能量密度电池中的应用。
能够提供高放电容量的新型负极材料的开发已成为突破锂离子电池广泛应用限制的关键。
关键词：锂离子电池；负极材料；研究引言：锂离子电池的比容量主要取决于正负极材料。
正极材料已经达到其各自理论比容量极限的情况下，锂离子电池比容量的提升只能依靠负极材料的发展。
在新型碳材料中，石墨烯自诞生以来就受到了研究人员的青睐。
锂离子可以储存在石墨烯片的两侧。
基于双电层吸附结构，石墨烯的理论比容量非常高，相当于传统石墨负极的2倍。
一锂离子电池负极材料的基本特点锂电子电池负极材料对锂离子电池性能的提升有着十分重要的作用，锂电子负极材料在使用的过程中要具备以下几个条件：第一，锂离子负极材料要为层状结构或者隧道结构，这样结构能够使得锂离子脱嵌，并在锂离子出现脱出、嵌入时不会出现明显的结构变化，从而使得锂离子电池电极具备良好的充放电能量，提高电池的使用寿命。
第二，锂离子要能够尽可能多的完成嵌入和脱出，从而使得电子具有较高的可逆性。
同时，在锂离子脱嵌的过程中电池本身要能够实现平稳的充电和放电。
第三，第一次不可逆电池的放电量比较小。
第四，锂离子电池负极材料要具备较强的安全性能。
第五，锂离子电池材料和电解质溶剂的相容性比较好。
第六，锂离子电池负极材料资源获取丰富、多样，价格低廉。
二锂离子电池负极材料的基本类型（1）碳材料①石墨。
碳材料按照结构可以划分为石墨和无定形碳元素。
石墨是锂离子电池常用的碳负极材料，具备良好的导电性和结晶度，且石墨本身还具备完整的层状晶体结构，十分适合锂离子的嵌入和脱出。
在工业领域会选择多鳞片的石墨来作为碳负极原材料。
②无定形碳。
硅负极材料在锂离子电池中的应用研究
硅负极材料在锂离子电池中的应用研究硅材料由于其高比容量和丰富资源，在锂离子电池中受到广泛关注。
在传统的锂离子电池中，石墨一直是主要的负极材料，但是其比容量有限，难以满足日益增长的能量需求。
因此，硅负极材料作为一种新兴的替代方案备受研究者关注。
涉及到许多方面的内容，包括硅材料的合成方法、电化学性能、循环稳定性等。
首先，合成一种优良的硅负极材料至关重要。
研究者们通过化学气相沉积、溶胶凝胶法、机械合金化等多种方法合成了不同形态和结构的硅材料，以提高其电化学性能。
其次，在使用硅负极材料制备锂离子电池时，需要考虑其与电解质的相容性、电子传导性能等因素，以确保其循环稳定性和充放电性能。
硅负极材料作为一种高比容量的材料，具有很大的潜力用于提高锂离子电池的能量密度。
与传统的石墨相比，硅材料的比容量可达到约4200mAh/g，是石墨的数倍。
这使得硅负极材料成为提高电池容量的理想选择。
但由于硅材料在充放电过程中会发生体积膨胀和收缩，导致其结构破坏，进而影响电池的循环稳定性。
因此，研究人员致力于寻找合适的包覆材料或纳米结构设计，以缓解硅材料的膨胀问题，提高其循环寿命。
除了硅材料的合成和结构设计外，研究人员还致力于改进硅材料的电子传输性能和离子传输性能，以提高其充放电速率和循环性能。
采用导电剂、离子导体等方法可以有效提高硅材料的电子和离子传输性能，从而提高电池的能量密度和循环寿命。
在锂离子电池应用领域，硅负极材料也有着广泛的研究和应用前景。
除了在手机、笔记本电脑等便携式设备中的应用外，硅负极材料还可以用于电动汽车、储能系统等领域，以满足日益增长的能源需求。
因此，硅负极材料在锂离子电池中的应用研究具有重要的科学意义和实用价值。
让我们总结一下本文的重点，我们可以发现，硅负极材料在锂离子电池中的应用研究是一个具有挑战性和前景广阔的研究领域。
通过对硅材料的合成、结构设计、电子传输性能等方面的研究，可以进一步提高锂离子电池的能量密度、充放电速率和循环稳定性，推动电池技术的发展。
锂离子电池负极硅基纳米材料制备与机理研究
锂离子电池负极硅基纳米材料制备与机理研究近年来，随着能源需求的增长和环境问题的加剧，高性能锂离子电池的研究备受关注。
锂离子电池的负极材料是影响其性能的关键之一，而硅基纳米材料作为一种新兴的负极材料，具有很高的理论容量和较低的电位，被认为是潜在的替代材料。
因此，针对锂离子电池负极硅基纳米材料的制备和机理的研究具有重要的意义。
一、锂离子电池负极硅基纳米材料的制备方法目前，关于锂离子电池负极硅基纳米材料的制备方法主要包括溶剂热法、气相沉积法和电化学沉积法等。
以溶剂热法为例，首先将硅源和包裹剂溶解在有机溶剂中，然后通过控制溶剂的温度和浓度，使硅源逐渐沉积形成纳米颗粒。
接着，通过煅烧和退火等处理方式，使得硅纳米颗粒形成具有二维或三维形貌的结构。
通过气相沉积法制备负极硅基纳米材料，首先，将硅源物质蒸发成气体，然后通过控制反应室的温度和压力等条件，使硅气体沉积在基底上形成薄膜或纳米颗粒。
电化学沉积法通过将硅阳极浸泡在含有硅源和电解质的溶液中，通过电解质溶液中的电离作用，使硅源逐渐沉积于阳极表面形成硅基纳米材料。
二、锂离子电池负极硅基纳米材料制备机理锂离子电池负极硅基纳米材料的制备机理主要与材料的形貌、晶体结构和制备方法等有关。
在溶剂热法中，硅源物质的沉积形貌和溶剂的温度、浓度等条件密切相关。
溶剂的选择和浓度可以控制硅纳米颗粒的尺寸和形貌，从而影响材料的性能。
煅烧和退火等处理方式可以帮助硅纳米颗粒形成更稳定的结构。
气相沉积法制备硅基纳米材料的机理主要涉及硅源的气化、扩散和沉积过程。
在不同的温度、压力和沉积时间等条件下，硅气体可以沉积在不同晶向的基底上形成不同结构的硅基纳米材料。
电化学沉积法的机理主要涉及到电解质溶液的离子传输和硅源的沉积。
通过调节电解质溶液的成分和浓度等条件，可以控制硅源的沉积速率和深度，从而影响硅基纳米材料的形貌和性能。
三、锂离子电池负极硅基纳米材料的应用前景锂离子电池负极硅基纳米材料具有高的理论容量和较低的电位，被认为是一种潜在的高能量密度和长循环寿命的替代材料。
锂离子电池硅基负极材料研究进展
(2)
从上面的机理可以看出，SiO 作为负极，其首次库仑效率
很低，主要是反应步骤（1）为不可逆反应。生成的 Li2O 作为 缓冲介质，能够有效抑制步骤（2）在脱嵌锂过程中带来的体
积变化，提高电极的循环性能。
为了进一步提高 SiO 负极的循环性能，与碳复合是最常 见的方法。Kim 等[14]用 SiO 与聚乙烯醇均匀混合后在 900 ℃
收稿日期 ：2009- 04- 03 基 金 项 目 ：“ 973” 计 划 课 题 (2005 CB 623607)； 国 家 自 然 科 学 基 金 (20703026)； 天 津 应 用 基 础 及 前 沿 技 术 研 究 计 划 (08 JCZDJC 21300) 作 者 简 介 ：王 洪 波(1982—)，男 ，河 南 省 人 ，博 士 生 ，主 要 研 究 方 向 为锂离子电池负极材料。 Biography：WANG Hong- bo(1982—),male, candidate for Ph D. 联系人：陶占良, taozhl@
WANG Hong-bo, ZHOU Yan-hong, TAO Zhan-liang，CHEN Jun (Institute of New Energy material Chemistry and Key Laboratory of Energy Material Chemistry, Nankai University, Tianjin 300071, China)
下锂离子的脱嵌会破坏纳米硅的晶体结构，生成亚稳态的锂
和硅的化合物，还观察到纳米硅颗粒发生团聚，使其体积变 化，导致电池循环性能下降。Limthongkul 等[11]指出非晶硅材
料具有更好的容量保持能力和循环性能。晶体硅在循环过程
锂离子电池硅基负极材料研究现状与发展趋势
XX大学毕业论文题目锂离子电池硅基负极材料研究现状与发展趋势姓名 XX 教育层次大专学号 XX 省级电大 XX专业应用化工技术分校 XX指导教师 XX 教学点 XX目录一、 (4)二、 (4)三、 (5)四、 (6)五、 (6)（一） (6)（二） (7)参考文献 (7)致谢 (8)锂离子电池硅基负极材料研究现状与发展趋势摘要: 硅基负极材料因具有高电化学容量是一种极具发展前景的锂离子电池负极材料. 评述单质硅、硅-金属合金、硅-碳复合材料以及其他硅基复合材料作为锂离子二次电池负极材料的最新研究成果, 分析锂离子电池硅负极材料存在问题, 探讨硅基负极材料的合成、制备工艺以及未来硅基材料的研究方向和应用前景. 分析结果表明, 通过硅的纳米化、无定形化、合金化及复合化等技术手段, 实现硅基负极材料同时兼备高容量、长寿命、高库伦效率和倍率性能, 是未来的主要发展方向.关键词: 应用化学; 锂离子电池; 负极材料; 硅基复合材料。
锂离子二次电池因具有比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、自放电率低、快速充电、无污染、工作温度范围宽和安全可靠等优点, 已成为现代通讯、便携式电子产品和混合动力汽车等的理想化学电源. 在制造锂离子二次电池的关键材料中, 负极材料是决定锂离子电池工作性能和价格的重要因素. 目前商业化的负极材料主要是石墨类碳负极材料, 其实际容量已接近理论值(372 mA·h / g), 因此不能满足高能量密度锂离子微电池的要求. 另一方面, 石墨的嵌锂电位平台接近金属锂的沉积电势, 快速充电或低温充电过程中易发生“析锂” 现象从而引发安全隐患. 此外, 石墨材料的溶剂相容性差, 在含碳酸丙烯酯等的低温电解液中易发生剥离导致容量衰减[1] . 因此, 寻求高容量、长寿命、安全可靠的新型负极材料来代替石墨类碳负极, 是锂离子电池发展的迫切需要. 在各种新型合金化储锂的材料中, 硅容量最高, 能和锂形成Li 12 Si 7 、Li 13 Si 4、Li7Si3 、Li15Si4 和Li22Si5等合金, 理论储锂容量高达4212mA·h / g, 超过石墨容量的10倍[2-3] ; 硅基负极材料还具有与电解液反应活性低和嵌锂电位低(低于0.5 V) 等优点[4-5] . 硅的嵌锂电压平台略高于石墨, 在充电时难以引起表面锂沉积的现象, 安全性能优于石墨负极材料[6] . 此外, 硅是地壳中丰度最高的元素之一, 其来源广泛, 价格便宜, 没有毒性, 对于硅负极材料的商业化应用具有极大的优势. 本文评述了近年来单质硅、硅-金属合金以及硅-碳复合材料和其他硅基复合体系作为锂离子二次电池负极材料最新研究成果, 并对今后研究方向和应用前景作了展望.一、硅脱嵌锂时的结构变化硅电极在脱嵌锂的过程中的体积效应所造成的容量快速衰减, 是其实用化进程的巨大阻碍[7-8] . 在电化学储锂过程中, 每个硅原子平均结合44个锂原子后得到Li22Si5合金相, 造成材料的体积变化可达到300% 以上[9] . 由巨大的体积效应产生的机械应力会促进电极表面微裂纹的产生和传播, 使活性物质从集流体上逐渐破裂、脱落, 从而丧失与集流体的电接触, 造成电极循环性能迅速下降[10] . 另外, 由于硅本身是半导体材料, 本征电导率比较低, 仅有 6.7 × 10 - 4 S / cm, 故需加入导电剂来提高电极的导电性[11] . 为解决这一难题, 人们利用纳米硅粉体作为负极材料, 但研究表明, 锂离子在纳米硅材料中的反复嵌入和脱出会导致硅纳米颗粒发生不可逆的电化学烧结, 造成电池循环性能的急剧下降[12] .导致硅负极材料容量剧烈衰减的另一重要原因是现有电解液中的LiPF6 分解所产生微量HF 对硅造成了腐蚀[18] . 此外, 由于其剧烈的体积效应造成的颗粒粉化, 使得新的硅原子不断消耗Li + , 导致在常规的LiPF6电解液中难以形成稳定的表面固体电解质(solid electrolyte interface, SEI) 膜, 随着活性物质的粉化脱落和电极结构的破坏, 新暴露出的硅表面不断与电解液反应形成新SEI 膜, 导致充放电效率降低, 容量衰减加剧.为使硅材料具有高容量, 同时兼具有良好的循环性能, 目前主要通过以下3 种方法来改善硅基负极材料的电化学性能: ①制备硅纳米材料. 一则可减小硅的绝对体积变化, 另则制备非晶硅薄膜等以消除晶体硅的非均匀变形; ②制备硅基合金材料. 使硅与其他元素形成硅化物, 以减小材料体积变化; ③制备硅基复合材料. 使硅与其他非金属类材料复合, 通过缓冲基体的缓冲性能限制硅的体积变化。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
收稿日期:2008208220,修订日期:2008209218 3通讯作者,Tel:(862592)2185753,E 2mail:yyang@x mu .edu .cn 国家自然科学基金(90606015,29925310)资助第15卷 第1期2009年2月电化学E LECTROCHE M I STRYVol .15 No .1Feb .2009文章编号:100623471(2009)0120056206锂离子电池硅纳米线负极材料研究傅焰鹏,陈慧鑫,杨 勇3(厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室,化学化工学院化学系,福建厦门,361005)摘要: 采用涂膜法和直接生长成膜法分别制备两种硅纳米线电极.XRD 、SE M 和充放电曲线表征、观察和测定材料嵌锂状态过程的结构、形貌及电化学性能.与涂膜法相比,直接生长成膜法制备的硅纳米线电极具有较高的比容量、良好的循环寿命及较好的倍率性能;直接生长成膜法制备的硅纳米线电极,其嵌锂过程硅由晶态逐渐转变为非晶态,且其纳米线直径逐渐增大,但线状结构仍保持完好,进而防止了电极粉化和脱落.关键词: 硅;纳米线;负极材料;锂离子电池;电化学性能;涂膜法;直接生长成膜法中图分类号: T M911文献标识码: A 硅是目前发现的具有最高理论储锂容量的负极材料(4200mAh /g ),其比容量远远高于石墨材料,但它的实际嵌锂量与电极上硅的尺寸、电极配方及充放电倍率等因素密切相关.同时,硅负极材料在高度嵌/脱锂的条件下,还存在严重的体积效应(体积膨胀率>400%)[124],从而导致材料粉化和脱落.因此,近年来对硅负极材料的研究,主要集中在如何避免体积效应导致的电极循环性能衰退[5210].硅纳米线作为一维硅纳米材料的典型代表,与纳米颗粒材料不同,其电子的传输不必克服一连串纳米颗粒接触的界面势垒,而且这种一维结构也能有效的缓冲体积效应,因此该负极材料具有重要的潜在应用前景,但目前以硅纳米线作为锂离子电池负极材料的研究还鲜有报道[11213].此前作者已有硅纳米管嵌锂负极材料研究的报道[14],本文应用化学气相沉积法制备硅纳米线,以此材料制备负极(涂膜法和直接生长成膜法)研究锂离子电池的特性及不同嵌锂负极的结构和形貌.1 实 验1.1 电极制备与电池组装涂膜法:将镀金膜(10n m )的硅片放入管式炉中,在氢气气氛下,升温至600℃,控温2h,使金膜熔聚成颗粒,降温至480℃,再通入硅烷气,硅烷气和氢气流量分别为5.0×10-7m 3/s 和1.67×10-7m 3/s,时间3h,降至室温,制得附有大量黄色物质的硅片.刮下黄色硅纳米线,将活性物质(1mg )、导电剂乙炔黑和粘结剂P VDF (聚偏氟乙烯)按85∶5∶10(by mass )混匀,球磨3h,制成浆料,涂敷在Cu 箔上,真空干燥制成极片.直接生长成膜法:以不锈钢片(304,厚0.5mm )为基底,按照上述步骤直接沉积硅纳米线,即得硅纳米线负极.将上述两种电极与金属锂片、Cellgard2400隔膜和1mol/L L iPF 6的EC /DMC (1∶1,by volume )电解液,在充满氩气的手套箱(MBRAUN Lab 2Mater100,Ger many )中组装2025扣式电池.1.2 电极性能测试及仪器E A /MA 1110元素分析仪(意大利卡劳尔巴公司)专用天平(精度为±1μg )称量活性物质,平均值0.5mg .使用Aut olab PGST AT30电化学工作站(荷兰ECO CHE M I E 公司)测试循环伏安曲线,电压范围:0.01～2.00V,扫描速率0.5mV /s .LAND CT2001A 电池测试系统(武汉金诺电子公司)检测第1期傅焰鹏等:锂离子电池硅纳米线负极材料研究・57 ・电池充放电曲线,电压范围0.01～2.0V ,恒温25℃.1.3 材料表征使用LE O 21530型扫描电子显微镜(德国)和P ANalytical X ’Pert 型粉末X 射线衍射仪(荷兰Phili p s )观察形貌和表征结构.2 结果与讨论2.1 充放电特性图1是硅纳米线电极(涂膜法)的充放电曲线.从图看出,首次放电容量为2177.4mAh /g,充电容量为1184.8mAh /g,充放电效率为54.4%.而经5次循环放电后,容量仅为211.5mAh /g .图2a 示出硅纳米线电极(直接生长成膜法)图1 硅纳米线电极(涂膜法)C /20充放电曲线 Fig .1 Galvanostatic charge 2discharge curves for Si N W s(p repared by coating method )at C /20rate充放电曲线.从图看出,首次放电容量为3125mAh /g,充电容量为2170mAh /g,充放电效率为70%.第2圈循环放电容量下降为2219mAh /g,充电容量2210mAh /g,充放电效率为99.5%.接着,电池容量逐渐趋于稳定,循环15圈后,电池容量仍能保持在2000mAh /g .嵌锂电压接近0V ,对应于L i x Si 的形成.随后,嵌锂曲线电压平台逐渐消失,而出现倾斜曲线.这主要是因首次嵌锂,晶态硅逐渐转变为非晶态[15],此后硅始终呈现非晶态,脱嵌锂循环曲线基本重合.图2b 进一步示明以直接生长成膜法制备的硅纳米线电极具有良好的循环特性,容量保持率较优异,其充放电的库仑效率随充放电循环次数的增加而逐渐趋于平稳,第2次循环以后,库仑效率保持在95%以上.直接生长成膜法制备的硅纳米线电极首次不可逆容量损失起因于电解液的分解并在材料表面形成的固体电解质膜(SE I ).同时,硅纳米线表面存在大量的悬挂键,可形成Si O 2钝化层,而L i 会还原Si O 2,也损失了一部分容量.图3比较了硅纳米线电极的倍率(C /20,C /10和C /2)放电性能.可以看出,随着充放电电流的增加,这种硅纳米线电极仍表现出较高的充放电容量.首次C /2放电容量可达2300mAh /g,是石墨电极理论比容量(372mAh /g L i C 6)的6倍.各倍率放电下,电极均展现出良好的循环寿命.图2 硅纳米线电极(直接生长成膜法)C /20充放电循环性能曲线(a )和库仑效率曲线(b ) Fig .2 Galvanostatic charge 2discharge curves f or the Si N W s (p repared by direct gr owth method )at C /20rate (a ),and thecapacity and coul ombic efficiency as a functi on of cycle nu mber (b )・58 ・电 化 学2009年 图3 硅纳米线电极(直接生长成膜法)的倍率放电曲线(C /20,C /10and C /2) Fig .3 Capacity 2cycle nu mber curves f or Si N W s (p reparedby direct gr owth method )at C /20,C /10and C /2rate2.2 循环伏安特性图4是硅纳米线电极(直接生长成膜法)循环伏安曲线.如图,首次嵌锂过程,于电压为0.7～0.5V 处出现一小平阶的还原峰,这是由于电解液发生分解,并形成固体电解质膜(SE I 膜)[]产生的,此峰在后续循环过程消失.并在0.33mV 附近出现了较缓慢下降弧线,对应着轻度嵌锂过程,0.10V 处呈现一强的还原峰,大量L i +嵌入硅.在0.37和0.51V 分别出现两个氧化峰,可能是对应于L i 2Si 化合物的两个不同脱锂步骤.此两个氧化峰在后续循环一直存在,其峰电位几乎没有变化,这说明电极可逆性好.随着循环次数的增加电极峰电流明显增大,这类似于电池的化成过程. 图4 硅纳米线电极(直接生长成膜法)的循环伏安曲线 扫描速率:0.5mV /s Fig .4 Cyclic volta mmegra m s of Si N W s (p repared by di 2rect gr owth method ) scan rate:0.5mV /s2.3 锂嵌脱过程电极的结构图5示出硅纳米线电极(直接生长成膜法)分别在0.15、0.10、0.05、0.01V 电压下嵌锂的XRD 谱图.图5 硅纳米线电极(直接生长成膜法)在不同电压嵌锂的XRD 谱图电压:0.、0.1、0.05和0.01V Fig .5 XRD patterns of Si N W s electr odes (p repared by di 2rect gr owth method )at vari ous cut 2off potentials during the initial discharging p r ocess:0.15,0.1,0.05,and 0.01V可以看出,150mV 时,2θ位于47°和56°的高角度单晶硅峰消失,但尚可检测出Si (111)峰,此峰明显宽化,无序度增加,100mV 下,Si (111)峰变得极弱,50mV 时,此峰完全消失,嵌锂过程硅已完全转变为非晶态,且在后来的锂脱嵌循环中始终保持非晶态.对不同嵌锂状态均没有检测到新晶相,锂嵌入硅后即生成非晶态L i x Si .文献曾报道,有晶态L i 3.75Si[17218]或其它晶态相[19]产生.但本研究没有观察到新晶相,这可能与硅纳米线的一维结构和纳米尺度有关.2.4 不同嵌锂状态硅纳米线电极的SE M分析 图6示出不同嵌锂电压下硅纳米线电极的SE M 照片.如图,随嵌锂过程进行,硅纳米线的直径逐渐增大,由50nm 增至294nm (a ～d ),表面粗糙度愈加明显,还出现片状物质,此即新生成的非晶态L i x Si .第1期傅焰鹏等:锂离子电池硅纳米线负极材料研究・59 ・ 从图7可看出,虽经100圈充放电循环,电极体积膨胀仍未导致硅纳米线粉化和脱落,大部分硅纳米线结构仍保持完好.这与硅纳米线的一维结构密切相关,因为一维结构可以沿横向和纵向膨胀,每根纳米线还可提供有效的空隙,有利于缓冲硅的体积膨胀,延缓粉化,也有助于电解液扩散及其与活性材料的接触.3 结 论1)以直接生长成膜法制备的硅纳米线电极具有良好的循环寿命和倍率性能,第2循环放电容量2210mAh/g,第15循环放电容量2000mAh/g;2)在锂嵌脱过程中,电极从晶态硅转变为非・60 ・电 化 学2009年晶态,线径增大,但线结构持完好,防止了电极粉化和脱落;3)直接生长成膜法可为研究硅纳米线构筑一个很好的电极体系.参考文献(References):[1] Fauteux D,Koksbang R.Rechargeable lithiu m batteryanodes:alternatives t o metallic lithiu m[J].Journal ofApp lied Electr oche m istry,1993,23:1210.[2] L i H,Huang X J,Chen L Q,et al.A high capacitynano2Si composite anode material for lithiu m recharge2able batteries[J].Electr oche m ical and Solid State Let2ters,1999,2(11):5472549.[3] Yang J,W achtlerM,W interM,et al.Sub2m icr ocrystal2line Sn and Sn2SnSb powders as lithiu m st orage materi2als for lithiu m2i on batteries[J].Electr oche m ical andSolid State Letters,1999,2(4):1612163.[4] W ang C S,App leby A J,L ittle F E.Electr ochem icalstudy on nano2Sn,L i4.4Sn and A lSi0.1powders used assecondary lithiu m battery anodes[J].Journal of PowerSources,2001,93(1～2):1742185.[5] Bourderau S,B r ousse T,Schleich D M.Amor phous sili2con as a possible anode material f or L i2i on batteries[J].Journal of Power Sources,1999,82:2332236. [6] XingW B,W ils on A M,Eguchi K,et al.Pyr olyzed pol2ysil oxanes f or use as anode materials in lithiu m2i on bat2teries[J].Journal of the Electr oche m ical Society,1997,144(7):241022416.[7] Larcher D,M udalige C,George A E,et al.Si2containingdis ordered carbons p repared by pyr olysis of p itch polysi2lane blends:effect of oxygen and sulfur[J].Solid StateI onics,1999,122(1～4):71283.[8] W ang G X,Sun L,B radhurst D H,et al.Nanocrystal2line N iSi all oy as an anode material for lithiu m2i on bat2teries[J].Journal of A ll oys and Compounds,2000,306(1～2):2492252.[9] W ang G X,Sun L,B radhurst D H,et al.I nnovativenanosize lithiu m st orage all oys with silica as active cen2tre[J].Journal of Power Sources,2000,88(2):2782281.[10] Ng S B,Lee J Y,L iu Z L.Si2O net w ork encap sulatedgraphite2silicon m ixtures as negative electr odes f or lith2iu m2i on batteries[J].Journal of Power Sources,2001,94(1),63267.[11] Zhou G W,Sun H P,Yu D P,et al.Contr ol L i dop ingof Si nanowires by electr oche m ical insertati on method[J].App lied Physics Letters,1999,75(16):244722449.[12] Chan C K,Peng H L,L iu G,et al.H igh2perf or mancelithiu m battery anodes using silicon nanowires[J].Na2ture Nanotechnol ogy,2008,3(1):31235.[13] Laik B,Eude L,Pereira2Ra mos,et al.Siliconnanowires as negative electr ode for lithiu m2i on m icr o2batteries[J].Electr ochi m ica Acta,2008,53(17):552825532.[14] L iu Z T(刘增涛),Fu Y P(傅焰鹏),L i C(李晨),et al.Preparati on and electr oche m ical p r operty of bam2boo2shaped silicon nanotubes[J].Electr oche m istry(in Chinese),2006,12(4):3632367.[15] Graetz J,Ahn C C,Yaza m i R,et al.H ighly reversiblelithiu m st orage in nanostructured silicon[J].Electr o2che m ical and Solid State Letters,2003,6(9):A1942A197.[16] Zane D,Ant onini A,Pasquali M.A mor phol ogicalstudy of SE I fil m on graphite electr odes[J].Journal ofPower Sources,2001,(97～98):1462150.[17] L i J,Dahn J R.An in situ X2ray diffracti on study ofthe reacti on of L i with crystalline Si[J].Journal of theElectr oche m ical Society,2007,154(3):A1562A161.[18] W ang W,Ku m ta P N.Reversible high capacity nano2composite anodes of Si/C/S WNTs f or rechargeable L i2i on batteries[J].Journal of Power Sources,2007,172(2):6502658.[19] Hatchard T D,Dahn J R.I n situ XRD and electr o2che m ical study of the reacti on of lithiu m with amor2phous silicon[J].Journal of the Electr oche m ical Soci2ety,2004,151(6):A8382A842.第1期傅焰鹏等:锂离子电池硅纳米线负极材料研究・61 ・Sili con Nanowi res as Anode Materi a ls for L ithi u m I on Batter i esFU Yan2peng,CHEN Hui2xin,Y ANG Yong3(S tate Key L ab for Physical Che m istry of Solid Surfaces and D epart m ent of Che m istry, College of Che m istry and Che m ical Eng ineering,X iam en U niversity,X iam en361005,Fu jian,China) Abstract:The Si N W s electr odes were fabricated by coating and direct gr owth methods,res pectively.The structure,mor phol ogy and electr oche m ical perf or mance of such materials were characterized by XRD,SE M and charge2discharge tests.The results show that the electr odes p repared by direct gr owth method had higher capaci2 ty,better battery life and als o dis p layed and excellent cyclability at higher currents.During the p r ocess of lithia2Si,and the average dia meter of the Si N W s increased. ti on,the initial crystalline Si transf or med t o a mor phous L ixDes p ite the large volu me changed,the Si N W s re mained intact and did not break int o s maller particles.Key words:Silicon;nanowires;anode materials;electr operf or mance;lithium2i on batteries;coating method; direct gr owth method。