锂离子电池硅铜复合负极材料的研究
锂离子电池硅碳复合负极材料的研究现状
后续热处理,制得 GSiWh 复合材料。 石墨具有很高的振实密
度、导电性和机械强度,小麦衍生的无定形碳改善了硅与石
墨之间的物理和电相互作用。 在 200 kV 加速电压下的透射
电子显微镜( TEM) 和高角环形暗场像( HAAD) 分析证实,与
相沉积法、溶胶-凝胶法、基质诱导凝固法、热解法、原位聚合
法和喷雾干燥法等。 这些技术制备的碳层可以缓冲硅的体
积膨胀,且无定型碳包覆层具有较大的比表面积,能在电极
与电解液之间提供更大的接触面积,加速 Li 的传输
+
Q. Xu 等
[11]
[10]
。
受西瓜形貌的启发,通过喷雾干燥和化学气
相沉积法( CVD) 工艺,合成 Si / C 复合材料。 首先,将硅纳米
颗粒( SiNPs) 与聚乙烯吡咯烷酮( PVP) 、葡萄糖和羧甲基纤
维素( CMC) 水溶液混合,超声波处理 2 h;再与片状石墨球磨
系人;
丰小华(1995-) ,男,山西人,郑州轻工业大学材料与化学工程学院硕士生,研究方向:化学电源材料;
张林森(1979-) ,男,河南人,郑州轻工业大学材料与化学工程学院教授,研究方向:化学电源材料;
陈 冰(2000-) ,女,河南人,郑州轻工业大学材料与化学工程学院本科生,研究方向:新能源材料与器件。
( School of Material and Chemical Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou,Henan 450002,China )
Abstract: Research progress in preparation method, structural characteristics and lithium storage performance was reviewed for
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作为目前最先进的可充电电池之一，应用广泛，例如智能手机、电动汽车、储能系统等。
在其中，负极材料是电池性能的关键所在，因此这一领域的研究尤为重要。
当前，普遍采用的锂离子电池负极材料为石墨。
虽然石墨负极材料具有稳定可靠、成本低廉等优点，但是它的储能密度比较低，储存的锂离子有限，随着电池的循环次数增加，其寿命会急剧下降。
因此，研究和开发新型的锂离子电池负极材料是至关重要的。
近年来，硅基复合物负极材料成为研究热点之一。
由于硅的原子半径比碳大，硅基物质在储锂时能够容纳更多的锂离子，因此硅基复合物负极材料具有更高的储能密度，可以大大提高电池的性能指标。
除此之外，硅基复合物负极材料还具有优异的电导率、导电性能和化学活性，因此具有广阔的应用前景。
目前，硅基复合物负极材料主要有三种类型：一是单质硅负极（Si），二是硅与金属或碳等材料的复合物负极，三是硅、碳、金属或二者的复合物负极。
其中，硅、碳复合物负极材料在研究和实际应用中表现出了较好的性能。
因为相比其他类型的硅基复合物负极材料，硅、碳复合物负极材料具有更高的导电性和更好的机械强度，可以更好地满足电池的使用需求。
当前，硅、碳复合物负极材料研究方向主要有以下几个方面：一是提高其比容量和循环寿命，二是提高其电导率，三是提高其制备工艺，减少制造成本。
在提高硅、碳复合物负极材料比容量和循环寿命方面，主要采用的方法包括空气灼烧（Air oxidation）、化学还原（Chemical reduction）、球磨方法（Ball-milling）等。
近年来，通过控制制备过程中材料的形貌、表面微结构以及化学组成等参数，可以大大提高硅、碳复合物负极材料的比容量和循环寿命。
在提高硅、碳复合物负极材料电导率方面，主要通过碳材料的接入方式进行。
例如，将石墨烯、碳黑、碳纳米管等碳材料添加到硅基复合物负极材料中，可以有效提高材料的电导率。
在提高制备工艺，减少成本方面，主要采取的方法有优化反应条件及材料的制备工艺，例如热处理、溶胶-凝胶法、化学沉淀法等。
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。
锂离子电池负极材料的研究及优化设计
锂离子电池负极材料的研究及优化设计随着生活水平的提高和科技的发展，电子设备的需求量也在迅速增加。
同时，新能源汽车、储能系统等领域对于锂离子电池的需求也在快速增长。
作为锂离子电池的重要组成部分，负极材料的研究与优化设计变得越来越重要。
一、锂离子电池概述锂离子电池是一种高能密度、轻量化、环保的电池，被广泛应用于移动电子产品、电动车、储能系统等领域。
它的构成包括正极、负极、电解质和隔膜等，其中正负极是决定电池性能的关键因素。
负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，其特性将直接决定电池维度，比如容量、电压等。
因此，对负极材料的研究和优化设计成为锂离子电池技术进步的重要驱动力之一。
二、锂离子电池负极材料的分类目前，市面上常用的锂离子电池负极材料主要有石墨、碳、储锂合金、硅等。
其中，石墨是最常用的负极材料。
1. 石墨石墨是负极材料中最常用的材料之一，其性能稳定、电化学稳定性好、造价低廉、制备简单等优势使其成为锂离子电池负极材料的首选。
2. 碳碳材料的制备和改性相对容易，同时具有高容量、高放电倍率和长循环寿命等优点。
不过，由于其化学反应过程不同于石墨，因此碳材料的电化学性能稳定性一直是一个亟待解决的问题。
3. 储锂合金储锂合金由于具有更高的容量和良好的电化学性能，成为锂离子电池负极材料的研究热点之一。
但是，储锂合金的容量和寿命稳定性往往受到制备工艺的制约，同时制备成本也较高，限制了其在大规模应用中的发展。
4. 硅硅是具有非常高的存电容量的负极材料。
然而，由于硅负极材料在充放电过程中会发生大幅度体积变化导致衰减，因此需要进行特殊处理以保证性能和循环寿命。
三、锂离子电池负极材料的研究和发展在负极材料的研究和发展中，主要的重点是提高其比能量、减小体积和重量、提高电化学稳定性和循环寿命等方面。
1. 提高比能量目前，提高比能量的主要手段是采用新的负极材料以及设计结构的优化。
以石墨为例，目前研究集中在制备高晶度的石墨、控制石墨结构和超细晶粒石墨等。
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。
总之，锂离子电池硅基复合物负极材料具有高比容、良好的结构稳定性、低成本等优点，使其在电池领域的应用变得更加广泛。
同时，研究人员将继续对该材料进行改进，以期在性能和可靠性方面取得更大的改进，使其在新能源领域起到更大的作用。
锂离子电池硅碳复合负极材料的研究
锂离子电池硅碳复合负极材料的研究王英;孙文;唐仁衡;肖方明;黄玲【摘要】以商品化纳米硅粉和沥青为原料,采用喷雾干燥热解法制得Si@C复合物.将Si@C复合物和人造石墨混合,制得Si@C/G硅碳复合材料作为锂离子电池的负极材料.借助X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电化学测试等方法,对Si@C复合物和Si@C/G复合材料的结构、形貌和电化学性能进行表征.结果表明,当硅碳复合材料中Si@C复合物和石墨的质量比为15∶85时,在100 mA/g的恒电流下,首次放电比容量为695.4 mAh/g,首次库仑效率为86.1％,循环80周后容量仍有596.6mAh/g.【期刊名称】《材料研究与应用》【年(卷),期】2018(012)003【总页数】6页(P161-166)【关键词】锂离子电池;硅碳复合负极材料;纳米硅;人造石墨;碳包覆【作者】王英;孙文;唐仁衡;肖方明;黄玲【作者单位】广东省稀有金属研究所,广东省稀土开发及应用重点实验室,广东广州510650;广东省稀有金属研究所,广东省稀土开发及应用重点实验室,广东广州510650;华南理工大学材料科学与工程学院,广东广州510641;广东省稀有金属研究所,广东省稀土开发及应用重点实验室,广东广州510650;广东省稀有金属研究所,广东省稀土开发及应用重点实验室,广东广州510650;广东省稀有金属研究所,广东省稀土开发及应用重点实验室,广东广州510650【正文语种】中文【中图分类】TM912 9;TM531为了不断提升新能源汽车的续航里程，近年来对锂离子电池的能量密度要求越来越高.到2020年，我国对锂离子电池电芯能量密度的期望值将达到350 Wh/kg.由于现有的商用负极材料石墨难以满足上述要求，因此，开发新型高容量负极材料成为研究热点.硅的理论嵌锂容量高达4200 mAh/g，且具有脱锂电位低、资源丰富、成本低和环境友好等优势，成为综合性能最具发展潜力的新型负极材料[1-5].硅材料虽然储锂容量较大，但锂离子在嵌入硅过程中会引起体积膨胀(300%)，易造成材料结构的崩塌和活性物质的脱落，使循环稳定性大大下降.同时，这种体积效应也使电极表面难以形成稳定的固体电解质界面膜(SEI膜)，导致不断有硅裸露到电解液中.针对硅负极材料循环稳定性的问题，近年来，研究人员将硅进行纳米化处理，即硅单质材料体系的改性.通过制备各种纳米硅材料来缓解硅嵌锂产生的体积膨胀.研究表明[6-7]，当硅颗粒尺寸小于单个硅纳米颗粒嵌锂过程中的破碎临界值，纳米硅颗粒在参与电化学反应过程所产生的应力能不足以使得电极表面生成裂纹，从而避免颗粒的破碎粉化.但是，纳米硅的高活性表面则会使电极发生较多的副反应，造成较高的不可逆容量损失.因此，除了硅纳米化改性技术外，还应通过硅与碳材料的二元或多元复合来制备复合材料，即建立硅复合材料体系[8-12].基本原理是利用第二相的机械性能和导电性来抑制硅的体积效应和增强硅的导电性，减少电极副反应的发生，并防止嵌脱锂过程中纳米颗粒的团聚.李纯莉[13]先采用酸浸蚀方法从铝硅合金得到纳米硅，然后将纳米硅与石墨烯进行复合制得石墨烯/多孔硅复合负极材料.复合结构中的石墨烯片或均匀分散在多孔纳米硅颗粒间，或包裹着小尺寸的纳米硅颗粒，有效改善了纳米硅的导电性和减缓多孔硅结构的衰变.用复合材料制成的电极在循环120周后，其放电比容量仍可达1843 mAh/g.Julien[14]利用激光化学沉积热解法(LCVP)制备出包覆1 nm厚度碳层的纳米非晶硅复合材料，经充放电循环后，极片厚度从循环前的12.6 μm到嵌脱锂300周后的14.9 μm，体积膨胀率仅18%，表现出良好的循环性能，所设计的核壳结构保持了材料结构和电极的稳定性.Zhuang[15]以纳米氧化镁为造孔剂，将纳米硅嵌入多孔碳中，制备的复合材料在循环40周后仍有1172 mAh/g的可逆容量，主要归功于多孔碳支架为纳米硅提供充足的空间以缓冲硅的体积变化.综上所述，采用硅纳米化和复合化相结合的方法制备电化学性能优异的硅碳复合材料是切实可行的.本文以纳米硅粉和沥青为原料，通过喷雾干燥热解法在纳米硅颗粒表面包覆一层无定形碳层制得Si@C复合物，将Si@C复合物和人造石墨颗粒混合可制得用于锂离子动力电池的Si@C/G复合负极材料.1 试验部分1.1 硅碳材料的制备以平均粒径80 nm硅粉、沥青为原料，按硅粉和沥青质量比为1∶1混合均匀，然后依次加入无水乙醇和去离子水搅拌，搅拌均匀后得到浆料，再经喷雾干燥制得Si@C前驱物(喷雾干燥设备进口温度180 ℃，出口温度110 ℃).将前驱物放入充有高纯氩气保护的管式炉内在1050 ℃保温3 h，然后冷却至室温，再研磨筛分，获得Si@C复合物.将Si@C复合物和人造石墨分别按质量比10∶90，15∶85，20∶80混合，制得硅碳复合负极材料Si@C/G，分别标记为样品a、样品b和样品c.1.2 硅碳材料的性能表征将活性物质(Si@C或Si@C/G)、导电乙炔黑和粘结剂(羧甲基纤维素钠CMC和丁苯橡胶SBR混合物，质量比3∶5)按质量比8∶1∶1混合，以去离子水为溶剂混合成浆料，然后将浆料均匀涂敷于铜箔基体上，充分干燥后制成正极.以金属锂片为负极，Celgard 2500型聚丙烯多孔膜为隔膜，1 mol/L的LiPF6溶于碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲基乙基酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)(体积比1∶1∶1)为电解液，在真空手套箱中组装成2032型扣式电池.采用蓝电CT2001A二次电池性能检测装置对电池进行充放电性能测试，测试电流密度为100 mA/g，电压范围为0.01～1.5 V.采用荷兰Philips X'pert MPD diffractometer XRD衍射仪(20 kV，40 mA，Cu Kα)分析样品结构，扫描角度为10°～90°，步长为0.02°/s；用德国蔡司公司Zeiss supra 40扫描电镜(SEM)和日本精工JOEL JSM-2100F透射电镜(TEM)观察复合材料的微观形貌.2 试验结果与讨论2.1 Si@C复合物的性能图1为纳米硅和Si@C复合物的XRD谱图.由图1可知，Si和Si@C均在位于2θ为28.43°，47.29°，56.13°，69.13°，76.45°，88.07°左右处出现Si峰，分别对应硅的晶面(111)，(220)，(311)，(400)，(331)，(422).包覆碳前后硅特征峰的位置基本一致.图谱中2θ为25°左右处有一个宽化的弥散峰，没有观察到其他明显的特征峰，表明沥青热解生成的碳为无定形态.图1 材料的XRD图Fig.1 XRD patterns of the materials图2为 Si@C复合物的SEM和TEM及Si材料SEM图.由图2(a～e)给出的Si@C 复合物的SEM和TEM图可以清晰地看出，纳米硅颗粒表面包覆着一层稳定致密的碳层，硅颗粒通过包覆碳层连接成的导电性骨架形成良好的电接触.多个这样的一次小颗粒组成较大的二次颗粒，如图2(b)、2(c)和2(e)所示.Si@C二次颗粒尺寸大小均匀，分散性较好.图2(f)为纳米硅的SEM图，与图2(c)相比，发现通过喷雾干燥热解可以有效地在纳米硅表面包覆碳膜.图2 Si@C复合物的SEM和TEM图及Si材料SEM图(a),(b),(c)Si@C复合物的SEM；(d),(e) Si@C复合物的TEM；(f) Si材料的SEMFig.2SEM(a,b,c) ,TEM(d,e) images of Si@C composites and image of SEM(f) of Si 图3 Si和Si@C复合物的电化学性能 (a) 首次充放电曲线；(b)循环性能曲线Fig.3 The electrochemical performance of Si@C composites and Si (a) the first charge/discharge curves；(b) the cycling performance curves将Si和Si@C复合物分别组装模拟电池进行充放电循环测试，其电化学性能如图3所示.图3(a)为电池的首次充放电曲线.由图3(a)可知，两种硅材料在首次放电曲线0.9 V左右处均出现倾斜下降的一个小平台，对应电解液浸润活性物质时，在活性物质颗粒表面形成SEI膜的过程.包覆Si@C复合物的平台电压略低于未包覆Si 材料，说明包碳可以促进电极表面SEI膜的生成.首次放电曲线上较长的电压平台是典型的晶体硅嵌锂电压平台.与Si材料的嵌锂平台电压相比，Si@C复合物的嵌锂平台低，主要原因是碳包覆层增强了Si@C复合物的表面电性，降低了电极表面极化.图3(b)为电池的循环曲线.由图3(b)可知，Si@C的首次循环放电比容量为1706.4 mAh/g，首次库仑效率为86.5%.循环80周后，容量仍有731.2 mAh/g，容量保持率达到42.9%；纳米硅的首次放电比容量为2915.8 mAh/g，首次库伦效率为79.4%.经80周循环后，放电比容量仅有66.6 mAh/g.与纯硅材料相比，Si@C复合物的库仑效率和循环性能明显提高.将硅颗粒均匀分散于碳基体获得具有包覆型的Si@C复合物，热解碳在硅颗粒表面形成的一层无定形碳膜具有缓冲硅体积效应和增强复合材料电子导电率的作用，可避免内部硅颗粒与电解液直接接触，形成完整的SEI膜，在一定程度上改善了复合材料电极的充放电性能.2.2 Si@C/G复合材料的性能将Si@C复合物直接应用于锂离子动力电池，循环稳定性仍然难以达到使用要求.基于石墨的高导电性，在牺牲一定放电容量的前提下，将Si@C复合物和石墨混合后制得Si@C/G复合材料，可进一步提升负极材料的充放电性能.图4(a)为Si@C/G复合材料样品a,b,c的首次充放电曲线.由图4(a)可知，首次放电曲线在0～0.2 V之间的一个明显的放电平台与锂离子嵌入活性物质硅和石墨的过程相对应，由于两种物质的嵌锂电位较相近，曲线上仅显示出一个平台.首次充电曲线上位于0.15 V，0.45V左右的两个电压平台则分别对应着锂离子从石墨、硅中脱出的过程.随着样品a,b,c中Si@C复合物含量的增加，充电平台延长，复合材料的比容量增大.图4 Si@C/G复合材料的电化学性能(a)首次充放电曲线；(b)循环性能曲线Fig.4 The electrochemical performance of Si@C/G composites (a) the first charge/discharge curves；(b) the cycling performance curves图4(b)为Si@C/G复合材料a,b,c三种样品的循环性能曲线.由图4(b)可知，三种复合材料首次放电比容量分别为559.5 mAh/g，695.4 mAh/g和779 mAh/g，首次库仑效率分别为86.8%，86.1%，86.2%.循环80周后，放电比容量分别为497 mAh/g，596.6 mAh/g和627.1 mAh/g，容量保持率分别为88.8%，85.8%和80.5%，平均每周容量衰减率分别仅为0.14%，0.18%和0.24%.三种复合材料表现出良好的循环稳定性，主要是由于纳米硅颗粒的表面包覆碳层和石墨有效缓解了硅材料在锂化过程中的体积膨胀.特别是石墨基体在硅颗粒膨胀时能够承受较大的弹性形变，使嵌锂过程中的残余应力较小.同时，石墨的良好导电性和容量特性也显著改善了Si@C复合物的综合电化学性能.从平衡放电容量、首次库仑效率和循环稳定性的角度来看，Si@C复合物和石墨的质量比为15∶85(样品b)的硅碳复合材料的电化学性能稍优.该复合材料的XRD图如图5所示.图5 复合材料样品b的XRD图Fig.5 XRD patterns of sample b从图5可以看出，在2θ为26.56°，44.39°和54.54°处出现石墨特征峰.复合材料的Si@C复合物颗粒均匀地附着在石墨表面，分散性较好，见图6.图6 复合材料样品b不同放大倍数的SEM图Fig.6 SEM images of sample b3 结论通过喷雾干燥热解的方法制备核壳型Si@C复合物，将Si@C复合物和石墨混合制得Si@C/G复合材料，可作为锂离子动力电池的负极材料.当Si@C/G复合材料中Si@C复合物和石墨的质量比为15∶85时，在100 mA/g的恒电流下，首次放电比容量为695.4 mAh/g，首次库仑效率为86.1%.循环80周后容量仍有596.6 mAh/g，容量保持率达到85.8%.【相关文献】[1] 王静，陈志柠，郭玉忠，等.有序介孔硅/碳复合结构负极材料的制备与电化学性能研究[J].无机材料学报，2018，33(3)：313-319.[2] 罗金华，倪伟.三维纳米硅/多孔碳的储锂性能[J].电池，2017，47(6)：328-331.[3] 白雪君，刘婵，侯敏，等.锂离子电池硅/碳纳米管/石墨烯自支撑负极材料研究[J].无机材料学报，2017，32(7)：705-712.[4] PAIREAU C，JOUANNEAU S，AMMAR M R，et al. 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高性能锂离子电池硅碳复合负极材料
高性能锂离子电池SiO/C复合负极材料High-performance SiO/C Composite Anode Material for Lithium Ion Battery背景：碳类负极材料因其比容量不高(372 mA·h／g)和锂沉积带来的安全性问题使其不能满足电子设备小型化和车用锂离子电池大功率、高容量要求，因而研发可替代碳材料的高能量密度、高安全性能、长循环寿命的新型负极材料是锂离子电池能否取得突破的一个重要因素。
硅作为一种新型锂离子电池负极材料，因其理论比容量高(4200 mA·h/g)而成为研究人员关注的焦点。
但其在充放电过程中存在的体积膨胀(400％)会引起活性颗粒粉化，进而因失去电接触而导致容量快速衰减，阻碍了其商业化进程。
为解决这一问题，人们已进行了大量的探索，包括减小硅颗粒粒径，制备硅薄膜及构造硅基复合材料等。
研究内容：本文以SiO为硅源，柠檬酸为碳源，通过高能球磨和高温热解制备了一种循环性能优异的锂离子电池SiO/C复合负极材料。
采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的物相和形貌进行了表征。
具有孔状结构的柠檬酸热解碳对纳米SiO不仅具有良好的包覆效果，也能有效缓冲电化学嵌脱锂过程中硅颗粒释放出来的体积变化。
电化学性能测试表明，SiO/C复合负极材料电极循环100次后容量仍高达803.1mA·h/g，容量保持率为89%。
实验制备：在氩气气氛下，将一氧化硅(99．99％，国药集团化学试剂有限公司)按15：1球料比加入到盛有钢球的不锈钢罐中高能球磨3 h(GN-2，转速为475r/min)，得到的SiO粉末和柠檬酸按一定质量比混合后加入到盛有无水乙醇的球磨罐中行星球磨8h。
将球磨后物料红外烘干后在氩气气氛下进行热处理(700℃，保温3 h)，随炉冷却后置于玛瑙研钵中研磨、过筛，所得复合材料标记为SiO/C。
按照上述工艺方法分别制备了含SiO 质量分数为40％、60％、80％的SiO/C复合材料。
锂离子电池多孔硅／碳复合负极材料研究
第 １ 期
三峡大学学报（ 自然 科 学 版 ）
Ｊ ｏ ｆ Ｃｈ ｉ ｎ ａ Ｔｈ ｒ ｅ ｅ Ｇｏ ｒ ｇ ｅ ｓ Ｕｎ ｉ ｖ ． （ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ）
Ｖ ｏ１ ． ３５ Ｎ Ｏ． １ Ｆｅｂ ． ２０１ ３
嵌／ 脱 锂 过 程 中 多孔 硅 颗 粒 所 产 生 的 体 积 效 应 ． 电化学性 能测试 表 明 ， １ Ｏ次 循 环 后 ， 多孔硅 ／ 碳 复 合
负极材 料平 均每周 次容 量衰减 为 ０ ． ４ ｌ ， １ ０ ０次循 环后其 可逆 容量 仍可 维持在 ６ ０ ８ ． ７ ｍＡ ・ ｈ ／ ｇ ．
关 键词 ： 葡 萄糖 ； 多孔硅／ 碳； 负极 ； 锂 离 子 电 池 中图分 类号 ： （ ） ６ １ ３ ． ７ ： Ｔ Ｍ９ １ ２ ． ９ 文献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ： ｌ ６ ７ ２ — ９ ４ ８ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ） ０ ｌ 一 ０ ０ ７ ６ — ０ ５
ｌ ｉ ｔ ｈｉ ｕ ｍ ｉ ｏｎ ｂ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｙ ａ ｎｏ ｄｅ ｗｅ ｒ ｅ ｓ ｙ ｎｔ ｈｅ ｓ ｉ ｚ ｅ ｄ ｂｙ ｈｉ ｇ ｈ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ — ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ａ ｎｄ ｈｙ ｄｒ ｏ ｔ ｈｅ ｒ ｍａ ｌ
Ｉ ｉ ｌ ａ ｓ ｓ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｓ ｏ ｆ Ｓ ｉ ／ Ｃ ｗｅ ｒ ｅ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ ．Ｔｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｐ ｏ ｒ ｏ ｕ ｓ ｓ ｉ ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ ａ ｒ ｅ ｓ ｕ ｓ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ；ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ
锂离子电池硅基负极复合材料的制备与性能研究的开题报告
锂离子电池硅基负极复合材料的制备与性能研究的
开题报告
一、课题背景
随着移动终端、电动汽车等市场的不断扩大，锂离子电池作为一种
新型高效、环保并具有高能量密度的蓄电池，正得到越来越广泛的应用。
其中，锂离子电池的负极材料对其性能具有至关重要的影响。
目前，市
场上普遍采用的负极材料为石墨，但其容量有限，还存在安全隐患。
因此，研究新型锂离子电池负极材料具有重要的理论意义和实践意义。
二、研究内容
本课题旨在制备一种新型的锂离子电池负极材料——硅基复合材料，并研究其性能。
具体研究内容包括：
1. 制备硅基复合材料，采用溶胶凝胶法、共沉淀法等方法，制备具
有优异性能的硅基复合材料；
2. 分析硅基复合材料的结构性质，采用扫描电子显微镜、X射线衍
射仪等分析手段，探究其微观结构特征；
3. 研究硅基复合材料的电化学性能，采用循环伏安法、恒流充放电
法等手段，评估其电化学性能和循环稳定性。
三、研究意义
本课题旨在研究新型的锂离子电池负极材料——硅基复合材料的制
备与性能，将有助于推动电化学储能技术的发展，提高锂离子电池的能
量密度和安全性能，具有重要的理论意义和实践价值。
锂离子电池硅碳复合负极材料的研究
ｎａｎｏ—Ｓｉ／ＣＮＴｓ
ａｎｄ
ｎａｎｏ．Ｓｉ／ＧＮＳ
ｃａｐａｃｉｔｙ
ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ
ｉｎｃｒｅａｓｅｄ
ｔｈｅ ｃｏｕｌｏｍｂｉｃ
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｎａｎｏ．Ｓｉ／ＣＮＴｓ
ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
ａｎｄ ｎａｎｏ—Ｓｉ／ＧＮＳ
ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｈａｄ ｂｅｔｔｅｒ ｃｙｃｌｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ
ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘ仃ａｃｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ．
ｏｒ
Ｔｈｅ ｃｙｃｌｉｎｇ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ
ｏｆ ｔｈｅ
ａｎｏｄｅｓ
ｄｅｇｒａｄｅｄ ｗｈｉｌｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｓｉ
ｏｎ
ｎａｎｏ—Ｓｉ／Ｃ
ｃｏｎｔｅｎｔ．Ｔｈｅ ｂｉｎｄｅｒ ａｎｄ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ａｇｅｎｔ ｈａｄ ｓａｍｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｔｈｅ ｂｉｎｄｅｒ
研究生签名：簦）避日期：丝．！互：墨ｆ
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评 阅 人
目
答辩委员会主席塑捡矍
２０１３年５月３１日
Ｓｔｕ
Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃ ａｒｂｏｎ Ｃｏｍ ｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｌｉｔｈｉｕｍ．．Ｉｏｎ
Ａｎｏｄｅ
ｒｌｅＳ
Ａ Ｔｈｅｓｉｓ Ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ ｔｏ
Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
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最近，锂离子电池技术正在获得越来越多的关注，它既安全又高效，在移动电源、汽车电池、家用电器、电子产品等领域发挥着重要作用。
由于其高容量、高能量密度和高循环性能，它受到了越来越多的工程师和科学家的关注。
除了电解质的选择外，锂离子电池的实用性也取决于锂离子电池的电极材料性能。
电极材料是锂离子电池的重要组成部分，其特性决定着锂离子电池的性能，它的性能决定了锂离子电池的可靠性、安全性和可持续性。
近年来，随着电池技术的不断发展，人们对电池技术的要求越来越高，因此，电极材料的性能也变得越来越重要。
为了满足锂离子电池的要求，研究者们一直在研究新型锂离子电池电极材料，其中有一类是硅基复合物负极材料。
硅基复合物负极材料是一种新型负极材料，它由硅烷、石墨烯和聚乙烯硫酸酯等多种材料组成，它的性能优越，可以提高锂离子电池的电容量，提高循环性能，提高电池安全性，故而得到了广泛的应用。
硅基复合物负极材料的制备方法一般分为三种，即溶剂法、溶胶-凝胶法和超声法。
溶剂法是采用固体反应物和有机溶剂，在适当的条件下反应制备材料，其优点是制备简单，适合大批量生产，但缺点是由于有机溶剂的使用，成本高，污染性大。
溶胶-凝胶法是采用液态前体和有机/无机混合溶剂，在适当的条件下反应制备材料，其优点是由于不使用有机溶剂，污染较小，但缺点是制备过程复杂，不适合大批量生产。
超声法是采用金属有机骨架材料，通过超声波等方法制备材料，其优点是制备过程方便，室温处理，无污染，但缺点是制备复杂，不适合大批量生产。
硅基复合物负极材料具有优异的性能，它可以显著提高锂离子电池的电容量和循环性能，因此，研究人员正在密切关注该领域的发展。
针对这一技术，研究人员们还需要在制备方法、表征方法、改性方法等方面继续进行研究，以不断改善材料性能，提高锂离子电池的可靠性、安全性和可持续性，使该技术能够有更广泛的应用。
总之，硅基复合物负极材料的研究受到了市场的普遍关注，在锂离子电池的研究中发挥着重要作用。
锂离子电池负极材料研究方向
锂离子电池负极材料研究方向《锂离子电池负极材料研究方向》随着能源危机的严峻形势以及对环境友好能源的需求不断增加，锂离子电池作为一种高性能、高能量密度、环境友好的储能装置，在移动电子设备、电动汽车等领域得到广泛应用。
而锂离子电池中的负极材料，作为电荷和离子传输的重要组成部分，关系着电池的性能和寿命。
因此，锂离子电池负极材料的研究变得至关重要。
近年来，科学家们在锂离子电池负极材料的研究方向上取得了许多重要的进展。
一方面，针对现有材料的改良和优化仍然是研究的重点。
目前，锂离子电池常用的负极材料主要有石墨和硅。
石墨具有稳定的循环性能和较高的电导率，但其储锂容量有限，无法满足未来高能量密度电池的需求。
硅作为一种高容量材料，体积膨胀问题一直是制约其应用的关键。
因此，为了提高石墨和硅负极材料的性能，科学家们研究了针对两者的改进方法，如纳米结构的设计和合金化等。
另一方面，新型锂离子电池负极材料的研究也逐渐成为热点。
除了石墨和硅，其他材料如金属锂、金属硫化物、碳基材料等也引起了科学家们的兴趣。
金属锂具有很高的储锂容量，但其在充放电过程中容易形成树枝状晶体，引发安全隐患。
因此，改进金属锂的安全性成为研究的重点。
金属硫化物和碳基材料也因其高能量密度和较低成本受到广泛关注，但其循环稳定性和电导率仍然需要改善。
此外，探索新型材料、开展材料设计和模拟计算等方法也是未来锂离子电池负极材料研究的重要方向。
借助新型材料的发现，研究人员可以拓展材料体系并发现更优秀的电池性能。
同时，通过材料设计和模拟计算，科学家们可以更好地理解材料的结构与性能之间的关系，并提出合理的改进措施。
总之，锂离子电池负极材料的研究方向包括对现有材料的改良和优化，开发新型材料，以及探索材料设计和模拟计算等方法。
通过这些研究，可以改善电池性能，提高储能效率，并推动锂离子电池在储能领域的应用。
《锂离子电池硅基负极材料制备与性能研究》
《锂离子电池硅基负极材料制备与性能研究》一、引言随着科技的飞速发展，对便携式电子设备的需求与日俱增，作为这些设备的主要能源，锂离子电池的性能日益受到重视。
而负极材料作为锂离子电池的关键组成部分，其性能直接影响到电池的整体性能。
近年来，硅基负极材料因其高比容量、低放电平台等优点，逐渐成为研究的热点。
本文将详细介绍锂离子电池硅基负极材料的制备方法及其性能研究。
二、硅基负极材料的制备（一）原料选择与准备制备硅基负极材料，需要的主要原料包括硅源、导电剂和粘结剂等。
其中，硅源的选择对最终材料的性能具有重要影响。
常用的硅源有微米硅、纳米硅等。
此外，还需选择导电性能良好的导电剂和具有良好粘结性的粘结剂。
（二）制备方法目前，制备硅基负极材料的方法主要有化学气相沉积法、球磨法、溶胶凝胶法等。
本文采用溶胶凝胶法进行制备。
该方法首先将硅源、导电剂和粘结剂混合均匀，形成溶胶状混合物，然后通过热处理使混合物凝胶化，最后进行烧结得到硅基负极材料。
三、硅基负极材料的性能研究（一）材料结构与形貌分析通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等手段对制备的硅基负极材料进行结构与形貌分析。
XRD可以确定材料的晶体结构，SEM则可以观察材料的微观形貌和颗粒大小。
（二）电化学性能测试采用恒流充放电测试、循环伏安法（CV）等手段对硅基负极材料的电化学性能进行测试。
恒流充放电测试可以了解材料的比容量、首次效率、库伦效率等；CV曲线则可以反映材料的氧化还原反应过程及电极反应的可逆性。
（三）性能对比分析将所制备的硅基负极材料与商业石墨负极材料进行性能对比分析。
在相同条件下进行充放电测试，比较两者的比容量、循环性能、倍率性能等。
同时，分析硅基负极材料的优势与不足，为后续研究提供参考。
四、实验结果与讨论（一）实验结果通过上述制备方法和性能测试手段，得到了硅基负极材料的结构与形貌数据、电化学性能数据以及性能对比分析结果。
（二）结果讨论结合实验结果和前人研究，对硅基负极材料的制备过程、结构与性能关系进行深入分析。
锂离子电池硅基负极材料的研究
锂离子电池硅基负极材料的研究硅具有非常高的脱嵌锂比容量和较低的脱嵌锂电位,因此是下一代最有潜力替代石墨大规模使用的锂离子电池负极材料。
目前硅基负极材料已经少量商业化使用,然而硅基负极材料低的首次效率、巨大的体积形变及表面不稳定的固态电解质膜(SEI膜)严重限制了硅基负极材料的推广应用。
针对硅基负极全电池衰减十分严重的问题,分别制作了一种石墨负极和三种不同容量硅基负极的软包电池,电化学性能显示随着硅含量的提高全电池的循环性能急剧下降。
本文对四种全电池的衰减机理进行了细致研究,对经过50次循环后的电池进行拆解并用正负极极片分别组装半电池,发现正极片和负极片的半电池面容量没有明显衰减,SEM和XRD结果也从侧面证实了上述结论。
对拆解后的正极半电池首次放电容量和负极半电池首次充电容量进行了对比分析,发现可迁移锂离子的损耗和电池的极化是造成硅基负极全电池迅速衰减的主要原因。
ICP和EDS结果也辅助证明了上述结论。
最后对全电池的d Q/d V-V和d V/d Q-Q曲线研究发现:随着全电池容量的衰减,石墨和Si Ox 在电池循环过程中贡献的容量均在减小。
针对硅基负极材料在脱嵌锂过程中巨大的体积形变造成的材料的破裂和不稳定的SEI膜问题,本论文采用表面为微米金字塔锥结构的硅片作为负极,研究了表面纳米孔、电解液添加剂、高充放电倍率对样品表面的裂纹和SEI膜厚度的影响。
表面纳米孔的存在抑制了硅片表面在充放电过程中的裂纹,同时电解液添加剂的加入也会减小硅片表面的碎裂程度。
采用表面纳米孔的样品做对比实验,发现高的充放电倍率相比低的充放电倍率会明显抑制表面SEI膜的厚度,成膜添加剂也能够在一定程度上减少SEI膜的增厚,其中VC效果最好,FEC次之。
针对硅基负极材料低的首次效率问题,本论文研究了锂-联苯-二甲氧基乙烷溶液作为预锂化试剂的可能性。
结果显示该溶液能够有效的提高负极材料纳米硅、硬碳、软碳的首次效率,而且并不会对材料的循环性能带来不良影响。
锂离子电池硅碳负极的制备及其性能研究
锂离子电池硅碳负极的制备及其性能研究锂离子电池硅碳负极的制备及其性能研究锂离子电池作为一种重要的能量储存设备，广泛应用于电动汽车、移动通信、储能系统等领域。
然而，锂离子电池的能量密度和运行安全性仍存在一些挑战。
随着对电池性能的不断追求，硅碳复合负极材料成为近年来研究的热点之一。
首先，我们来介绍硅碳复合负极材料的制备方法。
硅碳复合负极材料是在石墨负极材料的基础上，添加了适量的硅材料。
硅具有较高的比容量和较低的充放电反应电位，这使得硅在锂离子电池中具有更高的理论比容量和更低的电位突变。
然而，硅具有较大的体积膨胀率，在电池充放电过程中容易引起电池的渗漏和破损。
因此，为了改善硅的电化学性能，我们通常将硅与石墨材料结合制备硅碳复合负极材料。
硅碳复合负极材料的制备方法主要包括机械混合法、物理混合法和化学混合法。
其中，机械混合法是最常用的方法之一。
通过将硅和石墨材料以一定的比例进行混合，并添加一些胶凝剂和粘结剂，制备出硅碳复合负极材料的前驱物。
然后，通过热处理，前驱物中的硅和石墨相互反应，生成硅碳复合材料。
物理混合法和化学混合法的原理和步骤与机械混合法类似，只是在制备前驱物时的处理方法有所不同。
接下来，我们将重点介绍硅碳复合负极材料的性能研究。
硅碳复合负极材料的性能主要包括比容量、循环稳定性和倍率性能。
比容量是指单位质量或单位体积材料的储存锂离子的能力。
循环稳定性是指材料在长期循环充放电过程中能否保持较高的比容量和良好的循环稳定性。
倍率性能是指材料在高倍率充放电过程中的电化学性能表现。
这些性能直接影响着锂离子电池的使用寿命和安全性。
目前，研究人员通过控制硅碳材料的微观结构和化学成分，不断优化其性能。
例如，通过表面包覆技术，在硅材料表面形成一层保护膜，可以有效地抑制硅的体积膨胀和结构破坏，提高材料的循环稳定性。
此外，通过合理设计硅碳材料的孔结构，可以提高锂离子的扩散速度，改善倍率性能。
同时，还可以通过控制硅和石墨的比例，优化材料的比容量和循环稳定性。
高比能量锂离子电池硅基负极材料研究进展
高比能量锂离子电池硅基负极材料研究进展锂电联盟会长，专注锂电十年只分享干货！常见的锂离子电池负极材料有软碳、硬碳、中间相碳微球(MCMB)、人造石墨、天然石墨、钛酸锂(LTO)和硅基材料等。
由几种负极材料的性能对比见图1，要满足高能量密度锂离子二次电池的需求，高容量低成本低电压平台的硅基材料是具有极大的潜力。
图1 几种负极材料性能对比锂离子嵌入过程中形成硅锂合金相, 对应的理论容量是天然石墨的十多倍。
同时, 硅在地球上储量丰富, 生产成本很低, 且硅的电压平台为0.3~0.5 V, 在充电过程中不存在析锂隐患, 大大提高了锂离子电池的安全使用性能。
但其在充放电过程中, 由于锂化和脱锂循环期间的高体积变化(200%-300%), 造成颗粒粉碎和其表面的固相电解质层重复形成, 最终导致硅基负极材料容量的损耗和循环性能较差等问题。
针对硅基负极材料在嵌锂和脱锂中存在的问题, 近些年研究者们通过对硅基材料的纳米化、复合化和核壳结构的改性设计, 有效地提高了硅基材料的循环性能。
本文主要深入分析和讨论硅基负极材料的储能及容量衰减机理, 从硅碳复合材料和SiOx(0<x≤2)基复合材料两条主线出发详细总结了硅基电极材料的结构设计及改性研究的最新国内外进展, 对未来的研究方向和应用前景作出了展望。
一、硅的电化学机理1.1脱嵌锂机理硅的脱嵌锂机理是通过与锂离子的合金化和去合金化进行的。
实际电化学嵌锂是晶态硅与非晶亚稳态LixSi共存的过程。
研究发现, 在低充电电位<0.5 V时, 硅锂合金化后最终形成相常见的是Li15Si4, 对应的理论质量比容量为3579mAh/g。
硅在常温下充放电过程如下式(1)~(3)所示：式(1)和(2)表示嵌锂过程; 式(3)表示脱锂过程; 式中a代表无定型, c代表结晶态。
1.2 失效机制硅在充放电过程中会发生巨大的体积膨胀效应, 如图2晶胞示意图所示, 理论上嵌锂生成Li22Si5晶胞体积膨胀300%左右。
一种锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法与应用
锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法与应用
一、锂离子电池硅碳复合负极材料
锂离子电池硅碳复合负极材料是一种具有优异性能的电池负极材料，主要由硅颗粒、碳材料和导电剂等组成。
硅颗粒具有良好的电化学性能，能够提供较高的能量密度；碳材料具有良好的导电性和稳定性，能够提高电极的电化学性能；导电剂能够提高电极的导电性能。
二、制备方法
锂离子电池硅碳复合负极材料的制备方法包括以下步骤：
1. 将硅颗粒、碳材料和导电剂按照一定比例混合均匀；
2. 将混合物放入球磨机中球磨，以获得均匀的混合物；
3. 将混合物放入烘箱中烘干，以去除其中的水分；
4. 将烘干后的混合物进行压片处理，以获得具有一定形状和厚度的电极片；
5. 将电极片进行高温烧结处理，以使各组分充分结合在一起。
三、应用
锂离子电池硅碳复合负极材料具有优异的电化学性能和稳定性，因此在电动汽车、电动自行车、电动工具等领域具有广泛的应用前景。
同时，由于其高能量密度和长循环寿命等优点，也适用于大规模储能领域。
总之，锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法与应用具有广泛的应用前景和市场价值。
锂离子电池多孔硅_碳复合负极材料的研究_黄燕华1_韩响2_陈慧鑫3_陈松岩2_杨
网络出版时间：2015-04-17 16:51网络出版地址：/kcms/detail/31.1363.TQ.20150417.1651.012.html第30卷第4期无机材料学报V ol. 30No. 4 2015年4月Journal of Inorganic Materials Apr., 2015文章编号: 1000-324X(2015)04-0351-06 DOI: 10.15541/jim20140352锂离子电池多孔硅/碳复合负极材料的研究黄燕华1, 韩响2, 陈慧鑫3, 陈松岩2, 杨勇3(1.集美大学诚毅学院; 厦门361021; 2. 厦门大学物理与机电工程学院, 厦门361005; 3. 厦门大学化学化工学院, 厦门361005)摘要: 以商业化多晶硅粉为原料, 采用金属银催化剂诱导化学腐蚀的方法制得三维多孔硅材料。
通过优化腐蚀条件, 得到孔径约为130 nm, 比表面为4.85 m2/g的多孔硅材料。
将多孔硅和PAN溶液混合球磨并经高温烧结后在多孔硅表面包覆上一层致密的无定形碳膜, 从而制得多孔硅/碳复合材料作为锂离子电池的负极材料。
3D多孔硅结构可以缓解电化学嵌/脱锂过程中材料的体积效应, 无定形碳膜层可有效改善复合材料的导电性能。
电化学性能测试表明, 该多孔硅/碳复合负极材料电池在0.4 A/g的恒电流下, 首次放电容量3345 mAh/g, 首次循环库伦效率85.8%,循环55次后容量仍保持有1645 mAh/g。
并且在4 A/g的倍率下, 容量仍维持有1174 mAh/g。
该方法原料成本低廉,可规模化生产。
关键词: 化学腐蚀; 多孔硅/碳; 锂离子电池中图分类号: TM911; O613文献标识码: AInvestigation of Porous Silicon/Carbon Composite as Anodes forLithium Ion BatteriesHUANG Yan-Hua1, HAN Xiang2, CHEN Hui-Xin3, CHEN Song-Yan2, YANG Yong3(1. College of Chengyi, Jimei University, Xiamen 361021, China; 2.College of Physics and Mechanical & Electrical Engineer-ing, Xiamen University, Xiamen 361005, China; 3.College of Chemistry & Chemical Engineering, Xiamen University, Xiamen361005, China)Abstract:3D porous silicon was synthesized by metal-assisted chemical etching process using commerciallyavailable polycrystalline silicon powders. After chemical etching in optimized solution, 3D porous silicon structureswith pore size of about 130 nm and specific surface area of about 4.85 m2/g was obtained. Subsequently, the 3Dporous silicon powders treated with ball milling and heat carbonization processes were coated with amorphous car-bon and utilized as the anode electrode material for lithium ion battery. The combination of the 3D porous structureand a carbon coating layer can accommodate large mechanical strains by providing the empty space of the pores toalleviate the volume change, and by increasing the electrical conductivity with the carbon layer. The electrodesachieve an initial charge capacity of 3345 mAh/g with coulombic efficiency of 85.8% as well as a high reversible ca-pacity of 1645 mAh/g after 55 cycles at 0.4 A/g. And it is capable to retain a capacity of 1174 mAh/g even at 4 A/g.Thus, this work introduces a novel and easy potential industrial method for fabrication Si/C materials forhigh-performance lithium ion battery.Key words: chemical etching; porous silicon/carbon; lithium ion battery收稿日期: 2014-07-07; 收到修改稿日期:2014-09-03基金项目:国家自然科学基金(61176050, 21233004) National Natural Science Foundation of China(61176050, 21233004)作者简介:黄燕华(1980–), 女, 讲师. E-mail: yanhuahuang@352 无机材料学报第30卷锂离子电池具有储能密度大、开路电压高、自放电率低等优点, 在便携式电子设备中得到广泛应用。
锂离子电池硅铜复合负极材料的制备及性能研究的开题报告
锂离子电池硅铜复合负极材料的制备及性能研究的开题报告意向：本课题的意向是探索一种新型的锂离子电池硅铜复合负极材料，并研究其制备工艺及电化学性能，旨在提高锂离子电池的能量密度和循环稳定性。
背景：随着移动互联网、物联网等技术的快速发展，锂离子电池越来越广泛地应用于电子产品、电动车等领域。
但传统的锂离子电池负极材料钛酸锂存在容量限制，不能满足高能量密度的需求。
近年来，硅材料作为一种潜在的高容量负极材料备受关注，但其容量衰减、容积效应等问题仍然存在，限制了其实际应用。
因此，研究开发一种新型的硅负极材料尤为重要。
同时，复合负极材料可以利用不同的材料优点，在容量、循环寿命、机械强度等方面取得更好的综合性能。
硅铜复合材料是一种潜在的替代钛酸锂的负极材料，其优点包括高容量、较好的电化学性质和循环寿命等。
研究内容：本课题拟通过化学合成的方法制备硅铜复合负极材料，并进行结构表征和电化学性能测试；利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜等表征手段研究硅铜复合材料的形貌、晶体结构及微观结构；通过电化学测试研究硅铜复合材料的容量、循环稳定性和放电性能等。
预期成果：本课题拟研究一种新型的锂离子电池硅铜复合负极材料，并探索其制备工艺及电化学性能，旨在提高锂离子电池的能量密度和循环稳定性。
预期成果包括：制备出硅铜复合材料，并进行结构表征；研究硅铜复合材料的电化学性能，包括容量、循环稳定性和放电性能等；提出优化硅铜复合材料的制备工艺和改进材料性能的建议。
研究意义：本课题的研究可以为锂离子电池领域的科学研究和工业应用提供有益的参考，有助于提高锂离子电池的能量密度和循环稳定性，促进锂离子电池技术在移动互联网、物联网等领域的广泛应用。