硅负极材料在锂离子电池中的应用

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锂离子电池硅负极粘结剂的设计与应用研究

锂离子电池硅负极粘结剂的设计与应用研究

硅基负极材料具有高理论容量、低成本、环保等优点,成为新一代锂离子电 池的理想负极材料。然而,其在充放电过程中会发生体积膨胀,导致电极结构不 稳定,影响电池的循环寿命和性能。此外,硅基负极材料的机械性能较差,容易 碎裂和粉化,进一步降低了电池的性能。
针对这些问题,选择合适的粘结剂对于提高硅基负极材料的电化学性能和稳 定性至关重要。理想的硅基负极粘结剂应具备以下特点:
总的来说,功能粘结剂的研究进展为提高硅基负极的电化学性能提供了新的 思路和方法。然而,目前的研究仍面临一些挑战,如粘结剂与硅基负极之间的界 面稳定性、粘结剂的制备成本和可加工性等。因此,未来的研究需要进一步探索 和发展新型的功能粘结剂,以实现硅基负极的高效利用和锂离子电池性能的进一 步提升。
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锂离子电池硅负极粘结剂的设 计与应用研究
目录
01 一、硅基负极材料的 特性及其对粘结剂的 要求
三、粘结剂在提高硅
03 基负极材料电化学性 能和解决其体积膨
二、不同类型的粘结
02 剂及其在硅基负极材 料中的应用效果
04 参考内容
随着科技的不断发展,锂离子电池在电动汽车、储能系统等领域的应用日益 广泛。然而,传统的锂离子电池负极材料主要采用石墨等碳基材料,其理论容量 较低,限制了电池能量密度的进一步提高。硅基负极材料具有较高的理论容量和 良好的电化学性能,成为新一代锂离子电池的理想负极材料。然而,硅基负极材 料的体积膨胀和机械性能较差等问题,对其在电池中的应用提出了挑战。其中, 粘结剂的选择和使用是解决这些问题的重要手段之一。

锂离子电池硅基负极材料

锂离子电池硅基负极材料

锂离子电池硅基负极材料

随着科技的不断发展,人们对电池能量密度的要求也越来越高。锂离子电池作为目前最常用的可充电电池之一,其性能的提升对于电动车、移动设备等领域的发展至关重要。而硅基负极材料作为一种新兴的材料,被广泛研究用于提升锂离子电池的能量密度和容量。

锂离子电池的负极材料在充放电过程中起着储存和释放锂离子的作用。传统的负极材料主要是石墨,其结构稳定、电导率高,但储锂容量有限,无法满足高能量密度的需求。而硅基负极材料由于其高比容量和丰富的资源,成为了研究的热点。

硅基负极材料的优势主要体现在其较高的比容量。相比于石墨材料,硅基负极材料可以储存更多的锂离子,从而提高电池的能量密度。这是因为硅原子的电子结构可以容纳更多的锂离子,使得硅基负极材料的比容量远远高于石墨材料。此外,硅基负极材料具有优良的导电性能,可以提供更好的电子传导路径,从而降低电池内阻,提高电池的功率性能。

然而,硅基负极材料也存在一些挑战和问题。首先,硅基材料在充放电过程中会发生体积膨胀和收缩,导致材料的结构破坏和容量衰减。其次,硅基材料还面临着与锂离子的反应产生的固态电解质界面问题,影响了电池的循环寿命和安全性能。因此,解决硅基负极材料的体积膨胀和界面问题是当前研究的热点和难点。

为了克服硅基负极材料的问题,研究人员提出了一系列的改进方法和策略。一种常见的方法是通过纳米结构设计来减小硅基材料的体积膨胀。纳米结构可以提供更多的表面积,使得体积膨胀分散在更大的空间中,从而减轻了材料的结构破坏。另一种方法是引入碳材料来包覆硅基材料,形成硅-碳复合结构。碳材料可以提供更好的电子传导性能和机械稳定性,同时还可以限制硅基材料的体积膨胀。此外,研究人员还通过合成多孔硅材料、合金化硅材料等方式来改进硅基负极材料的性能。

硅材料在锂离子电池中的应用进展

硅材料在锂离子电池中的应用进展

硅材料在锂离子电池中的应用进展

摘要:随着电动汽车,移动设备的迅猛发展,以锂离子电池为主的能源存储

与转换装置的性能与安全性得到人们的重视。负极材料是锂离子电池中的一个重

要部件,对电池整体性能有重要的影响。近年来以硅材料为负极的研究得到显著

发展,硅材料以高容量,低成本,环境友好等特点在增加锂离子电池能量密度,

提升电池性能上有很大的潜力。本文将介绍硅材料在锂离子电池中的应用,期望

以相关人员提供参考。

关键词:硅材料;锂离子电池;应用

引言:为了解决目前碳材料面临的难题,研究人员着重从两方面进行了研究:一是试图通过多种物理、化学方法提高碳材料电化学性质;第二,他们从微观角

度对碳基纳米材料对电极表面的影响机理进行了研究。另外,研究人员还正在寻

求能够取代碳材料的新型负极材料。锂离子电池目前主要采用石墨为基底制备负

极材料,然而硅材料由于其储锂能力高(理论容量为4200mAh/g)等优点而受到

人们的重视。

1硅材料的性质和制备方法

硅材料作为锂离子电池负极材料有着广泛的用途。硅材料在拥有高能量密度,低成本,充放电速度快等特点的前提下,还拥有较好的电化学性能及稳定性。硅

材料制备方法对于硅材料性能及应用具有重要的影响,所以制备方法的筛选与优

化是硅材料应用于锂离子电池的核心难题之一。

硅材料具有物理,化学性质两个特征。从物理性质上看,硅材料密度大,成

本低,易于制备。另外,硅材料热稳定性好、化学稳定性高、不容易与电解质发

生反应、能有效降低电池自放电。从物理和化学性质上看,硅材料表现出了优良

的电化学性能和可逆容量,能够提供更高的能量密度。

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

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。

锂硅材料作为锂离子电池负极材料的优缺点分析

锂硅材料作为锂离子电池负极材料的优缺点分析

锂硅材料作为锂离子电池负极材料的优缺点分析

锂硅材料作为锂离子电池的负极材料,是一种新兴的材料,目前已经引起了广泛的关注。锂离子电池是一种常用的电力储备装置,也是现代科技推动发展的关键组成部分。然而,由于传统锂离子电池负极材料的存在一些问题,诸如储能密度低、耗损快、安全性差等,锂硅材料作为一种新的负极材料,备受关注和期待。

一、锂硅材料的优点

1. 储能密度高

锂硅材料比传统的锂离子电池负极材料储能密度高,一个重量单位内能储存更多的电能,从而实现更高的能量密度。现代社会生活对电池的储能密度越来越高的需求,锂硅材料的储能密度让人看到了更大的潜力。

2. 充电速度快

锂硅材料的充电速度比传统的锂离子电池负极材料快很多,这意味着锂硅材料可以更快地充电,同时也可以更快地释放电能,这对于具有高频率循环需求的设备来说可以更好地满足需求。

3. 耐用性高

锂硅材料在使用时比传统的锂离子电池负极材料更加耐用,可以更好地抵抗充电和放电时产生的应力,从而能够更长时间地工作。这将有助于减少电池更换或维修的次数,减少使用成本,并有利于环境保护。

4. 更高的安全性

锂硅材料安全较高,相比传统的锂离子电池负极材料更稳定。锂硅材料不会像传统材料那样快速堆积锂离子,这减少了温度的上升。因此,在充电和放电过程中,锂离子电池更加安全可靠。

5. 成本更低

锂硅材料制造成本较低,相对于其他材料,以及其他制造成本,锂硅材料可以具有明显的优势。这将对电池的成本和电子产品的售价产生积极影响。

二、锂硅材料的缺点

1. 容量限制

锂硅材料的储能密度和容量有限,无法满足某些高容量需求。因此,在储能应用中,锂硅材料的应用受到了限制。但是,随着技术的发展,人们预计锂硅材料在未来将能够越来越好地满足更高的储能需求。

工业硅在新能源储存设备中的应用前景

工业硅在新能源储存设备中的应用前景

工业硅在新能源储存设备中的应用前景

随着新能源的快速发展,储能技术变得越来越重要。其中,工业硅

作为一种具有广泛应用前景的材料,在新能源储存设备中扮演着重要

角色。本文将探讨工业硅在新能源储存设备中的应用前景,并从多个

方面进行论述。

一、工业硅在锂离子电池中的应用前景

锂离子电池是目前应用最广泛的储能设备之一,而工业硅作为锂离

子电池负极材料的一种,具有较高的理论容量和较低的工作电压,因

此在锂离子电池中有着广阔的应用前景。工业硅的应用可以提高电池

的能量密度和循环寿命,使电池更加高效稳定。

其次,工业硅在锂离子电池中的使用可以减少对稀有金属等昂贵原

材料的需求,降低电池成本,从而促进新能源储存设备的普及和推广。因此,工业硅在锂离子电池中的应用前景非常广阔,并具有重要的意义。

二、工业硅在超级电容器中的应用前景

超级电容器是另一种重要的新能源储存设备,其具有快速充放电、

长循环寿命和高效率等优点,被广泛应用于电力系统稳定、能量回收

和储能等领域。工业硅作为超级电容器的负极材料,具有较高的比表

面积和较低的内阻,能够提高超级电容器的性能。

此外,工业硅在超级电容器中的使用可以提高电容器的能量密度和

功率密度,使其具有更高的储能能力和更快的充放电速度。这对于新

能源储存设备的实际应用非常重要,有助于提高能源利用率和储能效率。

三、工业硅在燃料电池中的应用前景

燃料电池是以工业硅为催化剂的一种新型能源转换设备,它将氢气

和氧气通过电化学反应转化为电能,是一种高效清洁的能源转换方式。工业硅在燃料电池中的应用可以提高电池的催化活性,增强其电化学

硅在动力电池反应中微观结构的嵌锂机制

硅在动力电池反应中微观结构的嵌锂机制

硅在动力电池反应中微观结构的嵌锂机制

硅在动力电池反应中微观结构的嵌锂机制是指硅材料在锂离子电池中充放电过程中锂离子的嵌入和脱出机制。

在锂电池充电过程中,锂离子从正极向负极流动,嵌入负极材料中。对于硅负极材料来说,其微观结构是由许多纳米级的硅颗粒组成。在充电过程中,锂离子首先与硅颗粒的表面发生化学反应,生成一层锂化硅薄膜。然后,锂离子通过锂化硅薄膜,进一步嵌入到硅颗粒的内部。这个过程叫做合金化反应。硅颗粒内部的晶格结构会发生变化,导致硅材料体积膨胀。

在放电过程中,锂离子从负极向正极流动,脱出负极材料。对于硅负极材料来说,它会发生相逆的反应,即锂离子从硅颗粒内部逐渐脱出,并通过锂化硅薄膜返回正极。

嵌锂过程中硅材料的体积膨胀和收缩会导致硅材料的结构破坏和失稳,从而引起内部应力的积累和松动。这种内部应力和松动会导致硅材料的容量衰减和衰竭,从而限制了硅材料在动力电池中的使用。因此,如何解决硅材料的体积膨胀和结构破坏问题,是硅负极材料研究的一个重要方向。

硅负极比容量

硅负极比容量

硅负极比容量

【最新版】

目录

1.硅负极的概述

2.硅负极的比容量

3.硅负极的应用领域

4.硅负极的发展前景

正文

【硅负极的概述】

硅负极是一种新型的锂离子电池负极材料,相较于传统的锂离子电池负极材料如石墨,硅负极具有更高的理论比容量,能够存储更多的能量。因此,硅负极被认为是下一代锂离子电池的关键材料之一。

【硅负极的比容量】

硅负极的理论比容量高达4200mAh/g,远高于石墨的372mAh/g。这意味着,使用硅负极的锂离子电池可以存储更多的能量,具有更好的续航能力。然而,硅负极在实际应用中,由于硅在充放电过程中体积膨胀率较大,导致电极容易破碎,因此,其实际比容量往往低于理论值。

【硅负极的应用领域】

硅负极由于其高理论比容量,被广泛应用于高能量密度的锂离子电池中,如电动汽车、无人机、便携式电子产品等领域。此外,硅负极的高理论比容量也使其在储能领域具有广泛的应用前景。

【硅负极的发展前景】

随着科技的发展,对电池能量密度的需求越来越高。硅负极由于其高理论比容量,被视为下一代锂离子电池的关键材料。然而,硅负极在实际

应用中存在的问题,如体积膨胀导致的电极破碎,硅在电解液中的溶解等,都需要通过技术手段进行解决。

锂硅合金材料在锂离子电池负极中的应用潜力分析

锂硅合金材料在锂离子电池负极中的应用潜力分析

锂硅合金材料在锂离子电池负极中的应用潜力分析

锂硅合金材料是近年来锂离子电池领域的一个热门研究方向。随着电动汽车、可再生能源等领域的快速发展,对高能量密度和高容量的锂离子电池需求日益增加。锂硅合金材料作为负极材料具有较高的理论容量和较低的电位,被认为是替代传统石墨负极的有望候选材料。本文将从锂硅合金材料的特性、制备方法以及应用前景三个方面,对其在锂离子电池负极中的潜在应用进行分析。

一、锂硅合金材料的特性

1.1 高容量:锂硅合金材料的理论容量远高于传统石墨负极。

以传统石墨负极为例,其容量约为372mAh/g,而锂硅合金材

料的容量可达到4200mAh/g以上。这一特点使得锂硅合金材

料能够提供更高的能量密度,为电池的应用提供更长的续航里程。

1.2 低电位:相较于石墨负极,锂硅合金材料的电位较低。这

意味着电池可以在更高的电压范围内工作,从而提供更高的电池输出功率。此外,低电位还可以降低电池的过电位损失,提高电池的能量转化效率。

1.3 高充放电速率:由于锂硅合金材料具有良好的电子和离子

导电性能,电池可以在较高的充放电速率下工作。这使得电池可以在短时间内充电或放电,从而满足快充和快速放电的需求。

二、锂硅合金材料的制备方法

2.1 机械球磨法:机械球磨法是一种常用的锂硅合金材料制备

方法。该方法通过机械球磨将锂和硅粉末进行混合反应,形成合金材料。这种方法制备的锂硅合金材料具有较小的颗粒大小和较高的比表面积,有利于提高电池的反应速率和循环稳定性。

2.2 气相沉积法:气相沉积法是一种通过热蒸发和气相反应将

锂离子电池硅基负极材料研究与进展

锂离子电池硅基负极材料研究与进展
the bare leaking silicon material. At present, it can alleviate the volume expansion problem to a greater extent and improve the
cycling stability of the materials by improving the structure and chemical composition of silicon-based cathode materials and
50% Si 的纳米复合材料具有高容量、 良好的循环性能
和高倍率性能, 在电流密度为 0. 4 mA / cm 2 的条件下,
mAh / g, 是石墨比容量的 10 倍; 具有相对较低的脱锂
电位(0. 4 V) ; 资源丰富; 环境友好等
[5]
。 但是纯硅
负极材料在实际应用中存在较大的缺陷, 主要原因为
硅在脱嵌锂离子( Li ) 过程中伴随着巨大的体积变化,
+
在嵌满 Li 后体积膨胀能达到 320%, 硅材料在反复脱
+
+
嵌 Li 的过程中会承受不住体积形变所产生的应力, 导
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,

硅基锂电池负极材料

硅基锂电池负极材料

硅基锂电池负极材料

硅基锂电池负极材料是一种具有优异性能的锂电池负极材料,其特点如下:

高能量密度:硅基负极材料具有极高的理论容量,可达4000mAh/g,远高于石墨负极的372mAh/g。这使得硅基锂电池具有更高的能量密度,有助于提升电池的续航能力。

优秀的锂离子电导率:硅基负极材料具有较高的锂离子电导率,有利于提高电池的充放电效率。

良好的倍率性能:硅基负极材料能够适应大电流充放电,具有良好的倍率性能,可有效降低电池的内阻,提高电池的充放电效率。

良好的循环寿命:硅基负极材料具有较长的循环寿命,可保证电池在使用过程中的性能稳定。

环保:硅基负极材料在生产过程中不产生有害物质,对环境友好。

然而,硅基锂电池负极材料也存在一些挑战,如体积膨胀、充放电过程中锂枝晶的形成以及首次充放电效率较低等问题。为解决这些问题,科研人员正在积极研究新型的硅基锂电池负极材料,如纳米硅基材料、硅碳复合材料等。

总的来说,硅基锂电池负极材料是一种具有很大潜力的电池材料,未来有望在电动汽车、储能等领域得到广泛应用。

硅负极 匹配正极材料

硅负极 匹配正极材料

硅负极匹配正极材料

硅作为负极材料在锂离子电池中的应用已经引起了广泛的关注。硅具有很高的比容量,是传统碳负极材料的10倍以上,因此可以实

现更高能量密度的电池。然而,硅在充放电过程中会发生体积膨胀

和收缩,这可能导致电极材料的破裂和电池性能的下降。因此,匹

配硅负极材料的正极材料需要具有以下特点:

1. 良好的离子传导性,正极材料需要能够快速地传递锂离子,

以实现高效的充放电过程。常见的正极材料如钴酸锂、锰酸锂和三

元材料等都具有良好的离子传导性。

2. 匹配的电位,正极材料的电位需要与硅负极材料相匹配,以

确保在充放电过程中能够实现良好的电化学稳定性。例如,钴酸锂

和硅负极材料的电位匹配较好。

3. 良好的结构稳定性,由于硅在充放电过程中会发生体积变化,正极材料需要具有良好的结构稳定性,能够承受硅负极材料的体积

变化而不发生破裂或损坏。

4. 高能量密度,正极材料需要具有较高的比容量和能量密度,

以实现整体电池的高能量密度。

因此,匹配硅负极材料的正极材料需要综合考虑上述因素,以实现高性能的锂离子电池。当前的研究方向包括合成新型的正极材料、设计多元复合材料以及优化电池结构等方面,以实现硅负极材料与正极材料的良好匹配。

硅负极锂离子电池

硅负极锂离子电池

硅负极锂离子电池是一种使用硅材料作为负极材料的锂离子电池。硅负极具有以下优点:

1. 高比容量:硅材料的比容量非常高,是石墨材料的10倍以上,因此可以存储更多的锂离子,提高电池的能量密度。

2. 高稳定性:硅负极在充放电过程中的体积变化较小,比石墨材料更加稳定,可以减少电池的寿命损失。

3. 低成本:硅材料的价格比石墨材料便宜,因此硅负极锂离子电池的成本较低。

然而,硅负极也存在一些缺点:

1. 低导电性:硅材料本身的导电性能较差,需要添加导电添加剂来提高电导率。

2. 首次循环容量低:硅负极在首次充放电过程中,由于体积膨胀收缩较大,容量损失较多,导致首次循环容量较低。

3. 循环寿命短:硅负极在长期循环过程中,容易出现体积膨胀收缩、裂纹等问题,导致电池寿命缩短。

为了克服这些问题,研究人员正在探索各种方法,如添加纳米结构、碳包覆、硅纳米线等技术来提高硅负极的性能和稳定性。

锂离子电池硅基复合物负极材料

锂离子电池硅基复合物负极材料

锂离子电池硅基复合物负极材料

近几十年来,随着电动汽车、家用电器等新能源技术的发展,电池应用已经成为当今时代不可或缺的重要组成部分。作为电池构成元素之一,负极材料在电池性能上担当着重要的作用。近年来,由于其具有优越的电化学性能,深受电池研究者的青睐,锂离子电池硅基复合物负极材料因而成为研究热点。

锂离子电池硅基复合物负极材料是一种经过优化的新型负极材料,它是由硅基载体和金属离子或氧化物离子形成的复合物。锂离子电池硅基复合物负极材料具有高比容量、高倍率、长循环寿命等优点,相比于其他负极材料,更加适合作为锂离子电池使用。

硅基复合物负极材料在结构上具有良好的导电性。复合物中硅基载体具有很强的导电性,而硫酸锂、氯化锂等质量较小的金属离子或氧化物离子可以起到缓冲结构的作用,有效地减少了电荷的积累,可以提高电池的充放电效率。而且,硅基复合物负极材料具有结构稳定性较强的特点,相对于其他材料,它可以更好地防止结构的崩溃,并保持更高的能量密度。

在实际应用中,锂离子电池硅基复合物负极材料可以被用于制造各种类型的电池,如普通锂离子电池、无极锂离子电池、超级电容器等,满足客户的不同需求。锂离子电池硅基复合物负极材料具有低成本、重量轻、高容量、均匀的充放电特性等优点,更有助于显著提高各种新能源电池性能,应用前景广阔。

锂离子电池硅基复合物负极材料的发展将极大地推动电池领域

的发展,改善电池性能,为新能源设备和其他电池设备的发展提供更多可能性。未来,研究人员有望在硅基复合物负极材料的开发方面取得进一步的突破,使其具有更优越的性能,以满足日益增长的新能源需求。

硅基锂离子电池的开发与应用

硅基锂离子电池的开发与应用

硅基锂离子电池的开发与应用随着移动电子设备的普及和市场需求的不断增长,电池技术的

进步成为了科技领域重要的一部分。其中,锂离子电池因其高能

量密度和长循环寿命成为主流。一直以来,锂离子电池的发展都

基于碳基负极材料,但随着电动汽车和储能设备的出现,对高能

量密度和高安全性的要求越来越高,这也导致了硅基锂离子电池

的发展和应用。

一、硅基锂离子电池的优势

硅基锂离子电池的最大优势在于其高能量密度。以锂离子电池

典型的锂钴氧化物正极材料为例,其最高比能量为200Ah/kg,而

硅基负极材料可达到4000Ah/kg。这意味着硅基锂离子电池的能量密度可达到500Wh/kg,相较碳基锂离子电池提升近一倍。此外,

硅基锂离子电池的循环寿命也比碳基锂离子电池更长。

二、硅基锂离子电池的缺陷

虽然硅基锂离子电池的优势非常明显,但其也存在着几个缺点。首先,硅基材料容易发生体积膨胀,这会导致电极压裂和松散,

从而导致电池的使用寿命大幅度缩短。其次,硅基材料的充放电过程会导致电极表面形成固体电解质界面,这会降低电池的充放电效率和循环寿命。

三、开发硅基锂离子电池的挑战

为了克服硅基锂离子电池的缺陷,开发高性能的硅基锂离子电池具有重要意义。关键问题在于如何解决硅基材料的膨胀和电极表面的固体电解质界面问题。当前,解决这两个问题的方法主要是通过混合多种材料来制备复合材料,或通过表面修饰来提高硅基材料的性能。例如,可以将硅基材料与金属氧化物、碳材料或聚合物材料混合使用,或者在硅基材料表面修饰保护层。

四、硅基锂离子电池的应用前景

目前,硅基锂离子电池应用主要集中在电动汽车和储能领域。例如,在电动汽车领域,硅基锂离子电池的应用可以有效提高电池的能量密度和续航里程,并减少电池的体积和重量。在储能领域,硅基锂离子电池可以提供稳定可靠的储能方案,满足日益增长的电力需求。

硅碳负极材料 预锂详细说明

硅碳负极材料 预锂详细说明

硅碳负极材料预锂详细说明

硅碳负极材料是一种用于锂离子电池的负极材料,其中硅是主要的活性物质,而碳则作为载体。预锂化技术是针对硅碳负极材料的一种处理技术,旨在提高其首次充电效率和电池的容量。

预锂化的原理是在首次充电过程中,由于有机电解液会在硅基负极表面还原分解,形成固体电解质相界面(SEI)膜,这会导致来自正极的锂离子被不可逆消耗,从而降低电池的容量。为了解决这个问题,需要对硅碳负极进行预锂化处理,即在首次充电前对电池进行额外的锂化过程。

预锂化的方法主要包括电化学预锂化和添加预锂化添加剂两种形式。其中,电化学预锂化是将负极、锂片、隔膜按电芯组装方式排列好,注入电解液后用外电路连接充电,使负极表面生成SEI膜消耗的则是锂片的锂离子。而添加预锂化添加剂的方法是在正负极材料中添加一种可释放锂离子的添加剂,以补充在首次充电过程中损失的锂离子。

通过预锂化处理,可以最大程度地保留从正极脱嵌的锂离子,提高全电池的容量和首次充电效率。虽然预锂化技术可以改善硅碳负极的性能,但目前其应用仍存在一定的挑战。例如,硅碳负极的循环寿命相对较短,导电性较差,且制造工艺复杂成本高等问题。因此,仍需进一步研究和改进以实现其在锂离子电池中的广泛应用。

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新型硅负极材料在锂离子电池中的应用研究

吴孟涛

天津巴莫科技股份有限公司

当今社会便携式可移动电子设备的高速发展极大的刺激了市场对重量轻体积小容量和能量密度更高的锂离子电池的需求。目前商业化锂离子电池都是以碳基材料作为负极的,但由于石墨负极的可逆容量只有372mAh/g (LiC6),严重限制了未来锂离子电池的发展,所以研发下一代锂离子电池负极材料成为新的热点。人们发现在Li22Si5中硅的恒流理论容量达到了4200mAh/g,是极具开发潜力的锂离子负极材料。但这种材料的缺点也很突出:在嵌锂和脱锂过程中材料体积会发生膨胀,微观结构发生改变而导致在嵌锂脱嵌过程中电极的断裂和损耗[1]。虽然不少文献提出了很多改进方法但由于制备出的硅薄膜材料厚度较薄,不适宜商业化生产。为了使硅负极可以应用于实际生产,我公司以无定形硅薄膜溅射在铜箔上成功制备出了厚度大于1µ的硅薄膜负极材料并与市场上的LiCoO2制成电池进行了一系列循环和倍率性能测试。

1 实验:

硅薄膜是以物理溅射的方法在表面粗糙的铜箔上的[2]。表面形貌分析应用的是HRTEM(FEI Tecnai20).制备出的硅薄膜材料在80℃下真空干燥24h,与市场上销售的LiCoO2在手套箱中组成2025扣式全电池。电解液为1M LiPF6/EC+DMC(体积比1:1);隔膜使用的是Celgard-2300。所有倍率试验和循环性能试验都是在电脑控制的25±1℃恒温系统中进行的。

2结果与讨论:

图1是循环前硅薄膜材料的HRTEM图和SAED图,从图中可以清楚看出涂在铜箔上的硅薄膜是无定形状态的。

图1 硅薄膜材料的HRTEM图和SAED图

图2是反应前硅薄膜材料的SEM 图,从图中可以看到膜是表面粗糙而有序的,厚度达到了2µ左右。

图2是硅薄膜材料的SEM 图

图3是以0.2C 电流密度在2.5-3.9V 电压下的循环性能和效率图。在前80周循环中容

量有一个明显的升高过程,而80周循环后脱锂容量达到了最高值0.55mAh/cm 2

(约1160mAh/g)

比初始脱锂容量高了近28%。在300周循环后仍有0.54mAh/cm 2

(约1139mAh/g ),平均每周循环衰减率小于0.01%。我们认为首循环效率较低是由于硅薄膜表面形成SEI 膜过程中电解液发生分解所引起的。从第二周循环开始效率逐步上升,10周后效率已经接近100%。

0.0

0.20.4

0.60.81.01.2

Columbic Efficiency (%)

C a p a c i t y (m A h /c m 2

)

图3 0.2C 电流密度下硅薄膜电池的循环性能和效率图

Cu

Si

图4是300周循环后硅薄膜的SEM 图,从中可以看到循环后膜变得较松散,表面粗糙、不规则,厚度增至6µ左右,体积膨胀了近300%。

图4 循环后硅薄膜的SEM 图

图5为300周循环后硅薄膜的HRTEM 图,从中可以看到硅薄膜在循环后仍保持了无定形态,可以推测在每次循环锂脱嵌后硅薄膜都是无定形态的。我们相信这种每次脱锂后的无定形态是提高材料循环寿命的关键因素。

图5 循环后硅薄膜的HRTEM 图和SAED 图

为了进一步说明硅薄膜材料实际应用的可能性,我们进行了高倍率放电性能的测试。

Cu

Si

6是在0.2C 循环80周后不同倍率下电池的循环性能。0.2C 的容量为0.56mAh/cm 2

,随着电流密度增大,1 C, 5 C, 10 C, 20 C 时容量降低为 0.52 mAh/cm 2, 0.34 mAh/cm 2, 0.44 mAh/cm 2, 0.26 mAh/cm 2分别是0.2C 时容量的93%, 89%, 73%和46%,至30C 时容量减

少为0.14mAh/cm 2,保持了0.2C 时容量的25%。当电流回到0.2C 时容量恢复为0.56mAh/cm 2

,并在接下来的循环中容量保持了平稳的趋势,从图中还可以看出,即使在高倍率下,循环容量没有发生明显衰减,说明材料在较高电流密度此下还具有良好的循环寿命。

图6 硅薄膜材料电池倍率性能图

从图7中可以看到容量的下降与电流密度的上升是呈线性关系的,说明锂在两极间的扩散性能良好。

图7 硅薄膜材料电池容量与倍率关系图

0.0

0.1

0.20.30.40.50.6Capacity Retention (%)

C a p a c i t y (m A h /c m 2

)

Rate (C)

C a p a c i t y (m A h /c m 2

)

Cycle Number (n)

图8显示了不同倍率下充放电电压平台,从中可以看到在0.2C 和1C 时充放电平台分别为3.7V 和3.5V ,在5 C 时充放电平台分别为3.7 V 和 3.4 V 。当电流密度增加至10C 充放电平台出现在3.8 V 和 3.3 V 附近。而当电流密度达到20 C 时, 电压平台在3.8 V 和 3.2 V ;至30C 时充放电平台分别为3.9V 和3.0V ,这个结果说明硅薄膜材料作为倍率型锂离子电池以硅薄膜材料作为阳极以钴酸锂材料为阴极的电池具有良好的市场前景。

图8 不同倍率下硅薄膜材料电池充放电平台曲线

3 结论:

以物理溅射方法使硅薄膜成功附着在表面粗糙的铜箔上,并且和LiCoO 2材料组成的电池在0.2 C (0.1 mA/cm 2)电流密度2.5-3.9V 下,80周循环后达到最大放电容量0.55 mAh/cm 2

(1160 mAh/g)。300次循环后容量还保持在0.54mAh/cm 2

(1139 mAh/g),几乎没有容量衰减。从HRTEM 图和SAED 图中可以发现此薄膜材料在循环前后都是以无定形状态存在,说明材料在循环后会回复为无定形状态。因此我们相信无定形态是提高材料循环寿命的关键因素之一,这有利于提高全电池的使用寿命。虽然随着电流密度的提高,电池的嵌锂脱嵌容量呈线性降低,但在各电流密度下电池循环容量都没有发现衰减现象。且在30C 高电流密度下脱锂容量还保持有0.2C 时的25%左右,所以我们有理由相信硅薄膜材料作为下一代锂离子电池负极材料具有良好的应用前景。

参考文献:

[1] T.D. Hatchard, J.R. Dahn, J. Electrochem. Soc. 151(6) (2004) A838.

[2] Fu, P . P .; Song, Y . J.; Zhang, H. F.; Yang, H. B.; Zhou, Z. Y .; Wu, M. T.; Huang, L. H.; Xu, G. Chin. J. Inorg. Chem ., 2006, 22(10): 1823

2.42.8

3.2

3.6

4.0

C e l l V o l t a g e (V )

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