硅碳负极材料项目规划方案
硅碳负极材料项目规划方案
规划设计/投资方案/产业运营
报告说明—
该硅碳负极材料项目计划总投资5323.78万元，其中：固定资产投资4492.70万元，占项目总投资的84.39%；流动资金831.08万元，占项目总投资的15.61%。
达产年营业收入7313.00万元，总成本费用5571.28万元，税金及附加94.89万元，利润总额1741.72万元，利税总额2076.85万元，税后净利润1306.29万元，达产年纳税总额770.56万元；达产年投资利润率32.72%，投资利税率39.01%，投资回报率24.54%，全部投资回收期5.58年，提供就业职位111个。
第一章总论
一、项目概况
（一）项目名称及背景
硅碳负极材料项目
（二）项目选址
某产业集聚区
投资项目对其生产工艺流程、设施布置等都有较为严格的标准化要求，为了更好地发挥其经济效益并综合考虑环境等多方面的因素，根据项目选
址的一般原则和项目建设地的实际情况，该项目选址应遵循以下基本原则
的要求。
（三）项目用地规模
项目总用地面积16514.92平方米（折合约24.76亩）。
（四）项目用地控制指标
该工程规划建筑系数61.42%，建筑容积率1.52，建设区域绿化覆盖率5.65%，固定资产投资强度181.45万元/亩。
（五）土建工程指标
项目净用地面积16514.92平方米，建筑物基底占地面积10143.46平
方米，总建筑面积25102.68平方米，其中：规划建设主体工程16094.01
平方米，项目规划绿化面积1419.55平方米。
（六）设备选型方案
项目计划购置设备共计69台（套），设备购置费1967.42万元。
（七）节能分析
1、项目年用电量1375248.13千瓦时，折合169.02吨标准煤。
2、项目年总用水量3458.10立方米，折合0.30吨标准煤。
3、“硅碳负极材料项目投资建设项目”，年用电量1375248.13千瓦时，年总用水量3458.10立方米，项目年综合总耗能量（当量值）169.32
吨标准煤/年。达产年综合节能量65.85吨标准煤/年，项目总节能率
27.02%，能源利用效果良好。
（八）环境保护
项目符合某产业集聚区发展规划，符合某产业集聚区产业结构调整规
划和国家的产业发展政策；对产生的各类污染物都采取了切实可行的治理
措施，严格控制在国家规定的排放标准内，项目建设不会对区域生态环境
产生明显的影响。
（九）项目总投资及资金构成
项目预计总投资5323.78万元，其中：固定资产投资4492.70万元，
占项目总投资的84.39%；流动资金831.08万元，占项目总投资的15.61%。
（十）资金筹措
该项目现阶段投资均由企业自筹。
（十一）项目预期经济效益规划目标
预期达产年营业收入7313.00万元，总成本费用5571.28万元，税金
及附加94.89万元，利润总额1741.72万元，利税总额2076.85万元，税
后净利润1306.29万元，达产年纳税总额770.56万元；达产年投资利润率32.72%，投资利税率39.01%，投资回报率24.54%，全部投资回收期5.58年，提供就业职位111个。
（十二）进度规划
本期工程项目建设期限规划12个月。
二、项目评价
1、本期工程项目符合国家产业发展政策和规划要求，符合某产业集聚
区及某产业集聚区硅碳负极材料行业布局和结构调整政策；项目的建设对
促进某产业集聚区硅碳负极材料产业结构、技术结构、组织结构、产品结
构的调整优化有着积极的推动意义。
2、xxx科技公司为适应国内外市场需求，拟建“硅碳负极材料项目”，本期工程项目的建设能够有力促进某产业集聚区经济发展，为社会提供就
业职位111个，达产年纳税总额770.56万元，可以促进某产业集聚区区域
经济的繁荣发展和社会稳定，为地方财政收入做出积极的贡献。
3、项目达产年投资利润率32.72%，投资利税率39.01%，全部投资回
报率24.54%，全部投资回收期5.58年，固定资产投资回收期5.58年（含
建设期），项目具有较强的盈利能力和抗风险能力。
从促进产业发展看，民营企业机制灵活、贴近市场，在优化产业结构、推进技术创新、促进转型升级等方面力度很大，成效很好。据统计，我国65%的专利、75%以上的技术创新、80%以上的新产品开发是由民营企业完成的。从吸纳就业看，民营经济作为国民经济的生力军是就业的主要承载主体。全国工商联统计，城镇就业中，民营经济的占比超过了80%，而新增就业贡献率超过了90%。引导民营企业建立品牌管理体系，增强以信誉为核心的品牌意识。以民企民资为重点，扶持一批品牌培育和运营专业服务机构，打造产业集群区域品牌和知名品牌示范区。
到2020年，全市工业总量明显壮大，质量明显提升，信息化水平明显
提高。全面建成两化深度融合国家综合性示范区、国家级承接产业转移示
范区、长江中上游区域性现代制造中心、国家产业转型升级示范基地。
三、主要经济指标
主要经济指标一览表
第二章投资单位说明
一、项目承办单位基本情况
（一）公司名称
xxx实业发展公司
（二）公司简介
公司全面推行“政府、市场、投资、消费、经营、企业”六位一体合作共赢的市场战略，以高度的社会责任积极响应政府城市发展号召，融入各级城市的建设与发展，在商业模式思路上领先业界，对服务区域经济与社会发展做出了突出贡献。本公司秉承“顾客至上，锐意进取”的经营理念，坚持“客户第一”的原则为广大客户提供优质的服务。公司坚持“责任+爱心”的服务理念，将诚信经营、诚信服务作为企业立世之本，在服务社会、方便大众中赢得信誉、赢得市场。“满足社会和业主的需要，是我
们不懈的追求”的企业观念，面对经济发展步入快车道的良好机遇，正以
高昂的热情投身于建设宏伟大业。
公司认真落实科学发展观，在国家产业政策、环境保护政策以及相关
行业规范的指导下，在各级政府的强力领导和相关部门的大力支持下，将
建设“资源节约型、环境友好型”企业，作为企业科学发展的永恒目标和
责无旁贷的社会责任；公司始终坚持“源头消减、过程控制、资源综合利
用和必要的未端治理”的清洁生产方针；以淘汰落后及节能、降耗、清洁
生产和资源的循环利用为重点；以强化能源基础管理、推进节能减排技术
改造及淘汰落后装备、深化能源循环利用为措施，紧紧依靠技术创新、管
理创新，突出节能技术、节能工艺的应用与开发，实现企业的可持续发展；以细化管理、对标挖潜、能源稽查、动态分析、指标考核为手段，全面推
动全员能源管理及全员节能的管理思想；在项目承办单位全体职工中树立“人人要节能，人人会节能”的节能理念，达到了以精细管理促节能，以
精细操作降能耗的目的；为切实加快相关行业的技术改造，提升产品科技
含量等方面做了一定的工作，提高了能源利用效率，增强了企业的市场竞
争力，从而有力地促进了项目承办单位的高速、高效、健康发展。公司致
力于创新求发展，近年来不断加大研发投入，建立企业技术研发中心，并
与国内多所大专院校、科研院所长期合作，产学研相结合，不断提高公司
产品的技术水平，同时，为客户提供可靠的技术后盾和保障，在新产品开
发能力、生产技术水平方面，已处于国内同行业领先水平。
二、公司经济效益分析
上一年度，xxx科技公司实现营业收入5139.89万元，同比增长31.56%（1233.11万元）。其中，主营业业务硅碳负极材料生产及销售收入为4326.24万元，占营业总收入的84.17%。
上年度营收情况一览表
根据初步统计测算，公司实现利润总额1282.73万元，较去年同期相
比增长258.33万元，增长率25.22%；实现净利润962.05万元，较去年同期相比增长154.75万元，增长率19.17%。
上年度主要经济指标
第三章项目建设背景及必要性分析
硅碳负极材料产业化进程始于20世纪20年代，1970年，硅元素被应用到锂离子电池负极，实验者们开始使用能形成合金的元素作为
负极。1971年Dey发现了一部分金属元素(Si，Al，Mg，Zn，Pt，Sn 等)可以和锂离子在室温下形成电化学的合金。
1976年Sharma和Swwfurth在400℃-500℃下进行了电池的测试
并发现了Li-Si合金的形成。Li-Si合金相包含了Li12Si7，Li14Si6，Li13Si4，Li22Si5等。特别是Li22Si5相生成了4200mAh/g的理论容量，其容量是所有Li的合金相中最高的。
1990-2000年是硅基负极初步发展的时期。Dahn等人首先探索了
热解含硅聚合物制备硅基负极的方法，研究的典型聚合物包括聚硅氧烷、环氧硅烷等。
在20世纪90年代末期，纳米级的硅与其他矩阵的复合物也被应
用来改进硅基负极的性能。Wang等使用利用物理方法制备了硅/石墨的复合物，其容量从437mAh/g提升到1039mAh/g。Kumta等通过高能机
械研磨制备了Si/TiN复合物，将Si分布在TiN的阵列来缓解体积变化。
总的来说，这十年的硅基负极开始了缓慢的进展，研究成果也极
大的鼓舞世界范围内对锂离子电池研究的兴趣。
进入21世纪后，硅基负极的研究也更加的深入。在2000-2005年中，零维硅颗粒、硅合金、硅薄膜和复合活性/非活性的缓冲矩阵等方法也被开发出来。
而到2006-2010年期间，研究重点又转移到了一维的硅纳米线、硅纳米管和三维的硅纳米结构上并实现了容量的大幅提高。
到2018年为止，硅基负极已经有了爆炸式的发展，逐渐添加于工业产生的电极之中。小尺度硅纳米颗粒、二维、三维的硅结构均有了详细的研究并建立了成熟的体系。
早在1990年日本就成功研制了以石油焦为负极的锂离子电池，1996年纳米结构的硅颗粒与碳相结合并陆续应用于负极材料。
2016年韩国一家研究所通过化学气相沉积(CVD)法，有效解决了硅体积膨胀的问题，将有助于推动碳-纳米硅-石墨复合负极材料大规模生产。
伴随着全球硅碳负极材料的产业化，全球硅碳负极材料市场需求逐渐增长。根据高工产研锂电研究所(GGII)数据，全球负极材料市场需求从2014年的7.51万吨提高至2018年的17.72万吨，年复合增长率达到23.94%。
2016-2017年硅碳负极材料逐渐进入市场，市场需求量较少，2018年市场逐渐放量。根据新材料在线数据，2018年全球硅碳负极材料需求量达到0.67万吨。
根据高工产研锂电研究所(GGII)2018年全球负极材料市场需求量17.72万吨的数据计算，2018年硅碳负极材料渗透率为3.78%。
2017年特斯拉通过在人造石墨中加入10%的硅基材料，已经在Model3上采用硅碳负极作为动力电池新材料，电池容量达到了
550mAh/g以上，电池能量密度可达300Wh/kg。
随着新能源汽车品牌的不断增多，新能源车型结构的不断丰富，消费者对新能源的消费意向不断增强，世界新能源汽车销量也与日俱增。根据全球汽车产业平台MARKLINES的数据显示，2018年，全球新能源汽车销量突破200万辆，达到237万辆的水平。
截至2018年底，全球新能源汽车累计销售突破550万辆。而根据新能源汽车研究机构EVTank数据，2019-2025年，全球新能源乘用车销量还将不断增长，销量将由2019年的221万辆增长到2025年的1200万辆，年均复合增长率将达到32.6%。
新能源汽车销量不断增长的同时，新能汽车等大型器件对锂离子电池提出更高倍率的充放电等要求，而目前使用的正负极材料越来越
不能满足上述需求。为了提升锂离子电池的性能，先提高负极的电化
学性能无疑是最方便最有效率的。
硅具有较大的理论比容量(4200mAh/g)，比石墨类负极材料的比容
量(372mAh/g)高一个数量级和较低的嵌锂电位。硅与电解液反应活性低，在地壳中储量丰富，价格低廉，是新一代锂离子电池负极材料的
理想选择。
未来随着硅碳负极材料成本的进一步降低，根据新材料在线预测，2020年硅碳负极材料渗透率将达到15%。2018-2020年硅碳负极材料渗透率年均增长5.61个百分点。
未来随着硅碳负极逐渐替代石墨作为电池负极的重要材料以及硅
碳负极材料技术及成本方面的进一步突破，前瞻预计2021-2025年硅
碳负极材料渗透率年均增长率将在4-5个百分点之间。
预计2025年硅碳负极材料渗透率将达到36%左右，而根据中国物
理与化学行业协会预测，2020-2022年全球负极材料需求将分别达到30.22万吨、39.35万吨、50.80万吨，年复合增长率为29.65%。预计2025年全球负极材料需求将达到87万吨左右。按照这一数据以及前文对全球硅碳负极材料渗透率的预测，2025年全球硅碳负极材料需求量
将达到31万吨左右。
第四章项目建设方案
一、产品规划
项目主要产品为硅碳负极材料，根据市场情况，预计年产值7313.00万元。
进入二十一世纪以来，随着我国国民经济的快速持续发展，经济建设提出了走新型工业化发展道路的目标，国家出台并实施了加快经济发展的一系列政策，对于相关行业来说，调整产业结构、提高管理水平、筹措发展资金、参与国际分工，都将起到积极的推动作用，尤其是随着我国国民经济逐渐融入全球经济大循环，各行各业面临市场国际化，相应企业将面对极具技术优势、管理优势、品牌优势的竞争对手，市场份额将会形成新的分配格局。坚持把项目产品需求市场作为创业工作的出发点和落脚点，根据市场的变化合理调整产品结构，真正做到市场需要什么产品就生产什么产品，市场的热点在哪里，创新工作的着眼点就放在哪里；针对市场需求变化合理确定项目产品生产方案，增加产品高附加值，能够满足人们对项目产品的需求。通过以上分析表明，项目承办单位所生产的项目产品市场风险较低，具有较强的市场竞争力和广阔的市场发展空间，因此，项目产品市场前景良好，投资项目建设具有良好的经济效益和社会效益，其市
场可拓展的空间巨大，倍增效应显著，具有较强的市场竞争力和广阔的市场空间。
二、建设规模
（一）用地规模
该项目总征地面积16514.92平方米（折合约24.76亩），其中：净用地面积16514.92平方米（红线范围折合约24.76亩）。项目规划总建筑面积25102.68平方米，其中：规划建设主体工程16094.01平方米，计容建筑面积25102.68平方米；预计建筑工程投资2090.90万元。
（二）设备购置
项目计划购置设备共计69台（套），设备购置费1967.42万元。
（三）产能规模
项目计划总投资5323.78万元；预计年实现营业收入7313.00万元。
第五章选址可行性分析
一、项目选址
该项目选址位于某产业集聚区。
园区不断优化产业园区功能分区。根据区域主体功能定位，科学划定产业园区功能边界和拓展空间，按照生产空间集约高效、生活空间宜居适
度、生态空间山清水秀的原则，合理确定产业园区产业发展、公共服务、
居住和生态用地比例，科学划定产业集聚区、人口集聚区、综合服务区、
生态保护区等功能分区。鼓励产业园区建设用地的多功能立体开发和复合
利用，按照统一规划和建设时序进行一体化整体开发，合理调整用地结构
和布局，努力实现产业园区建设一体化、两型化、创新化。
投资项目对其生产工艺流程、设施布置等都有较为严格的标准化要求，为了更好地发挥其经济效益并综合考虑环境等多方面的因素，根据项目选
址的一般原则和项目建设地的实际情况，该项目选址应遵循以下基本原则
的要求。
近年来，项目承办单位培养了一大批精通各个工艺流程的优秀技术工人；企业的人才培养和建设始终走在当地相关行业的前列，具有显著的人
才优势；项目承办单位还与多家科研院所建立了长期的紧密合作关系，并
建立了向科研开发倾斜的奖励机制，每年都拿出一定数量的专项资金用于
对重点产品及关键工艺开发的奖励。
二、用地控制指标
投资项目办公及生活用地所占比重符合国土资源部发布的《工业项目
建设用地控制指标》（国土资发【2008】24号）中规定的产品制造行业办
公及生活用地所占比重≤7.00%的规定；同时，满足项目建设地确定的“办
公及生活用地所占比重≤7.00%”的具体要求。
三、地总体要求
本期工程项目建设规划建筑系数61.42%，建筑容积率1.52，建设区域
绿化覆盖率5.65%，固定资产投资强度181.45万元/亩。
土建工程投资一览表
四、节约用地措施
采用大跨度连跨厂房，方便生产设备的布置，提高厂房面积的利用率，有利于节约土地资源；原料及辅助材料仓库采用简易货架，提高了库房的
面积和空间利用率，从而有效地节约土地资源。投资项目建设认真贯彻执
行专业化生产的原则，除了主要生产过程和关键工序由项目承办单位实施外，其他附属商品采取外协（外购）的方式，从而减少重复建设，节约了
资金、能源和土地资源。
五、总图布置方案
1、同时考虑用地少、施工费用节约等要求，沿围墙、路边和可利用场地种植花卉、树木、草坪及常绿植物，改善和美化生产环境。根据项目承办单位发展趋势，综合考虑工艺、土建、公用等各种技术因素，做到总图合理布置，达到“规划投资省、建设工期短、生产成本低、土地综合利用率高”的效果。
道路在项目建设场区内呈环状布置，拟采用城市型水泥混凝土路面结构形式，可以满足不同运输车辆行驶的功能要求。
2、投资项目绿化的重点是场区周边、办公区及主要道路两侧的空地，美化的重点是办公区，场区周边以高大乔木为主，办公区以绿色草坪、花坛为主，道路两侧以观赏树木、绿篱、草坪为主，适当结合花坛和垂直绿化，起到环境保护与美观的作用，创造一个“环境优美、统一协调”的建筑空间。undefined
投资项目用水由项目建设地给水管网统一供给，规划在场区内建设完善的给水管网，接入场区外部现有给水管网，即可保证项目的正常用水。投资项目用水由项目建设地给水管网统一供给，规划在场区内建设完善的给水管网，接入场区外部现有给水管网，即可保证项目的正常用水。
3、项目建设区域位于项目建设地，场区水源为市政自来水管网，水源充裕水质良好，符合国家卫生要求，场区给水系统采用生产、生活、消防
硅碳负极研究发展现状
（姜玉珍山东青岛青岛华世洁环保科技有限公司） 锂离子电池以能量密度高、循环寿命长和对环境友好等优点正在逐步取代镍氢电池，成为最有前途的储能装置。特别在最近几年，随着新能源汽车、便携式电子产品的高速发展，锂离子电池得到了更广泛的关注和更为深入的研究。 负极材料是锂离子电池的重要组成部分，它直接影响着电池的能量密度、循环寿命和安全性能等关键指标。未来的锂离子电池负极材料必须向高容量方向发展，才能解决现有电池能量密度低的问题。硅材料是一种具有超高比容量(理论容量4200 mAh/g)的负极材料，是传统碳系材料容量的十余倍，且放电平台与之相当，因此被视作下一代锂离子电池负极材料的首选。 然而，纯硅在充放电过程中会发生巨大的体积变化(体积膨胀率300%)，导致其粉化，进而影响到电池的安全性。另一方面，纯硅的电子导电率较低，很难提升锂离子电池的大电流充放电能力。针对上述两方面问题，国内外学者展开了大量的研发工作，本文就硅碳负极的研究发展现状进行综述。 1、硅碳负极目前存在的主要问题 在锂离子电池首次充电过程中，锂离子嵌入硅碳负极造成硅的体积膨胀，放电时，随着锂离子的脱出，硅碳负极体积收缩，硅的这种体积上的变化会产生大量的不可逆容量损失。造成首次放电效率低。随着充放电循环次数的增加，硅的体积膨胀会使得初次形成的SEI膜不断遭到破坏，同时体积膨胀会露出新鲜的负极表面，新鲜表面又会与电解液、锂离子反应再次形成SEI膜，如此循环往复，锂离子电池的容量不断降低，循环衰减严重，导致寿命降低。此外，纳米级的硅粉价格较高，硅碳负极成本问题也是制约其发展的又一因素。针对首次效率低、循环容量衰减严重的问题，专家学者们通过复合改性、纳米化等各种方式进行研究。 2、硅碳负极制备方法 、静电纺丝 吉林师范大学的曲超群等人通过静电纺丝制备出了硅碳负极粉料。其过程为：将PVP溶于乙醇制备L的溶液，按照Si:PVP=1:5加入硅粉，磁力搅拌、超声分散均匀，以静电纺丝方式制备前驱体，所得纺丝前驱体在马弗炉中以5 ℃/min的速率升温至230℃预氧化30 min，然后置于通有氩气保护的管式炉中650℃烧结7 h随炉冷却后即得Si/C复合材料。材料首次放电容量为g，库伦效率%，第20次循环时材料的放电容量仍能够维持在 mAh/g。 图1、Si/C 复合负极材料在倍率下的充放电曲线但是，该材料的倍率特性较差，将放电倍率提高到到，材料的放电容量为 mAh/g。再次变换充放电倍率至时，材料的放电容量仅为mAh/g。 、高温裂解沥青 西安建筑科技大学的栾振星等人通过高温裂解沥青的方式制备出了硅/碳/碳纳米管复合材料。该方法是将碳纳米管浸入H 2 SO 4 /HNO 3 溶液中震荡搅拌12H，空气中高温处理4H，将纳米硅、碳纳米管放入甲苯超声分散，然后将其按比例倒入溶于甲苯的沥青溶液中，搅拌均匀后真空
纳米硅碳负极材料研究报告
纳米硅碳负极材料研究报告 0引言 自1991年SONY公司以石油焦炭为负极材料将锂离子电池推向商业化以来，因其出色的循环寿命、较高工作电压、高能量密度等特性，锂离子电池一经推出就受到人们的广泛关注，迅速成为能源储存装置中的明星。近年来，随着新能源交通工具(如EV和HEV)的发展，对锂离子电池提出了更高的要求。作为锂离子电池关键部分的负极材料需要具备在Ii 的嵌入过程中自由能变化小，反应高度可逆;在负极材料的固态结构中有高的扩散率;具有良好的电导率;优良的热力学稳定性以及与电解质良好的相容胜等。研究者们通过开发具有新颖纳米结构的碳材料和非碳材料，来提高作为锂离子电池负极的嵌铿性能。然而，这些新颖的材料，如Sn, Si, Fe、石墨烯、碳纳米管，等，虽然其理论嵌铿容量较高(Sn和Si的理论嵌铿容量分别为994mAh/g和4 200 mAh/g ，但由于制备工艺相当复杂，成本较高，而且在充放电过程中存在较大的体积变化和不可逆容量。因此，若将其进行商业化应用还需要解决许多问题。 锂离子电池具有高电压、高能量、循环寿命长、无记忆效应等众多优点，已经在消费电子、电动土具、医疗电子等领域获得了少’一泛应用。在纯电动汽车、混合动力汽车、电动自行车、轨道交通、航空航天、船舶舰艇等交通领域逐步获得推少’一。同时，锉离子电池在大规模可再生能源接入、电网调峰调频、分布式储能、家庭储能、数据中心备用电 源、通讯基站、土业节能、绿色建筑等能源领域也显示了较好的应用前景 1不同负极材料的特点评述 天然石墨有六方和菱形两种层状品体结构同，具有储量大、成本低、安全无毒等优点。在锉离子电池中，天然石墨粉末的颗粒外表面反应活性不均匀，品粒粒度较大，在充放电过程中表面品体结构容易被破坏，存在表面SEI膜覆盖不均匀，导致初始库仑效率低、倍率性能不好等缺点。为了解决这些问题，可以采用颗粒球形化、表面氧化、表面氟化、表面包覆软碳、硬碳材料以及其它方式的表面修饰和微结构调整等技术对天然石墨进行改性处理。从成本和性能的综合考虑，目前土业界石墨改性主要使用碳包覆土艺处理。商业化应用的改性天然石墨比容量为340~ 370 mA·h/g，首周库仑效率90%~93%，100% DOD循环寿命可达到1000次以上，基本可以满足消费类电子产品对小型电池的性能要求。 2硅碳负极材料应用前景 近年来，我国锂离子电池产业发展迅速，全球市场份额不断攀升，在大规模的锂离子电池产业投资的带动下，锂离子电池负极材料的需求不断上升。硅负极相比石墨负极具有更高的质量能量密度和体积能量密度，采用硅负极材料的锉离子电池的质量能量密度可以提升8%以上，体积能量密度可以提升10%以上，同时每千瓦时电池的成本可以下降至少3%，因此硅负极材料将具有非常广阔的应用前景。新能源汽车产业是全球汽车产业的发展方向，也是我国重要的新兴战略产业之一，未来10年将迎来全球汽车产业向新能源汽车转型和升级的战略机遇。新能源汽车主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及燃料电池汽车。其中，纯电动汽车完全使用动力电池驱动，对电池容量需求最大，要求锉离子电池容量平均为30 kW /h。自2010年起，动力类锉离子电池受益于技术提升和成本降低，逐渐替代镍锅,镍氢电池，成为新能源汽车广泛使用的动力电池。根据中国汽车工业协会统计，我国新能源汽车产量由2011年的8000辆左右增至2015年的34万辆，而销量则由2011年的8000辆左右增至2015年的33万辆，年均复合增长率均超过150% o在各种利好政策的影响下，2014
硅负极材料衰退机理简介
硅负极材料衰退机理简介（1） 目前, 锂离子电池负极材料以石墨化碳材料为主, 它导电性能好, 具有良好的层状结构,适合于锂离子的嵌入和脱出, 为良好的电压平台, 充放电效率在90% 以上.但石墨化碳负极材料最大的不足就是电池容量不高(372 mAh/g) , 无法满足人们对锂离子电池比容量逐步增长的需求。因此, 寻找具有更高理论比容量的锂离子电池负极材料势在必行.硅 (Si) 在替代石墨用作锂离子电池负极材料是非常有潜力的, 而且地球储量丰富(占地球表层的 25.8%).在已知的锂离子电池负极材料中, 硅具有最高的理论比容量(4200 mAh/g) , 要比石墨负极材料的理论比容量大 10倍. 因此, 将硅作为锂离子电池负极材料是一个重要研究方向, 并将其制备成纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜、纳米管、氧化物及合金材料, 大大改善了锂离子电池的循环性能.但是, Si 作为负极材料在使用过程中由于锂离子的嵌入和脱出, 会产生非常大的体积变形, 约 300%～ 400%，这直接造成了锂离子电池电化学性能的衰退, 严重制约了高容量硅负极材料在锂离子电池中的应用. 因此,高性能锂离子电池面临的挑战并不是一个单纯的化学问题(容量、效率等), 还是一个重要的力学问题(粉化、剥落等)。 硅基材料在脱嵌锂过程中存在体积膨胀和收缩是固有事实, 无法抑制其体积变化, 只能通过硅基材料的纳米化、薄膜化、硅碳复合化及合金化来改善硅颗粒的粉化及破裂程度. 然而，首次循环过程中的应力破坏将造成不可逆容量损失。 电极材料首次充放电后就会发生力学破坏失效, 这直接造成了电化学性能的退化. 因此, 对其充放电过程中的力学性能研究是非常必要的. Sethuraman 等对 Si 负极材料的电化学循环性能进行了研究, 采用的电流密度为 25 μA/cm2(C/4倍率), 为了保证锂离子在负极材料中均匀扩散,控制充放电电压为10 mV . 基于MOSS 技术及 Stony 公式 , 可以得到 Si 薄膜材料充放电过程中平均应力随容量的变化关系, 如图-3所示. 在充电的开始阶段, 平均应力随容量的增加, 其平均压应力也随之增加,当容量达到 325 mAh/g 时, 其压应力达到大约1.7 GPa. 随着充电过程的继续进行, 材料由于体积的继续变形, 发生塑性流动, 当容量达到1 875 mAh/g 时, 其压应力降低到大约 1 GPa.当电池放电时, Si 材料开始脱锂过程, 其初始阶段发生弹性变形, 其应力状态从压应力快速转变为拉应力. 当拉应力达到 1 GPa 左右时, 材料发生塑性流动, 最终拉
锂离子电池硅_碳复合负极材料的研究进展_张瑛洁
第34卷第4期 硅酸盐通报Vol．34No．42015年4月BULLETIN OF THE CHINESE CEＲAMIC SOCIETY April ，2015 锂离子电池硅/碳复合负极材料的研究进展 张瑛洁，刘洪兵 （东北电力大学化学工程学院，吉林132012） 摘要：负极材料是制约锂离子电池发展的重要因素之一。硅/碳复合材料储锂容量高、循环稳定性好，是目前制备 新型锂离子电池负极材料的研究热点。介绍了硅/碳复合材料的不同制备方法和复合结构以及优良的电化学性 能，综述了硅/碳复合材料的研究进展，并对未来的发展方向进行了展望。 关键词：锂离子电池；硅/碳复合材料；制备方法；复合结构；电化学性能 中图分类号：TQ152文献标识码：A 文章编号：1001- 1625（2015）04-0989-06Ｒesearch Progress on Si /C Composite Anode Materials for Lithium-ion Battery ZHANG Ying-jie ，LIU Hong-bing （School of Chemical Engineering ，Northeast Dianli University ，Jilin 132012，China ） Abstract ：Anode materials is a major factor that restricts the development of lithium-ion batteries．Si /C composite materials ，which possesses high capacity and cycling stability ，becomes the hot spot to preparation of new type lithium-ion battery anode materials at present．Different preparation methods of Si /C composite materials ，composite structures ，and excellent electrochemical performance were introduced．And the research progress of Si /C composites was summarized．Subsequently ，the future development direction of Si /C composite materials was prospected as well． Key words ：lithium ion battery ；Si /C composite materials ；preparation method ；complex structure ； electrochemical performance 基金项目：吉林省科技厅产业技术创新战略联盟项目（20130305017GX ）；吉林省教育厅吉教科合字［ 2014］第103号作者简介：张瑛洁（1969-），女，教授， 博士．主要从事水的深度处理方面的研究．1引言 负极材料储锂容量是制约锂离子电池应用范围的关键因素，硅/碳复合材料作为一类应用潜力巨大的负 极材料， 成为近年来研究的热点。碳与硅相近似的化学性质，为两者的紧密结合提供了理论依据，所以碳常用作与硅复合的首选基质。硅通常与石墨、石墨烯、无定型碳和碳纳米管等不同的碳基质制备复合材料，在硅碳复合的体系中硅主要作为活性物质，提供容量 ［1-3］；碳材料一般作为分散基质，限制硅颗粒的体积变化，并作为导电网络维持电极内部良好的电接触［4-6］。理论上，硅/碳复合材料储锂容量高，导电性能好，但要成为可商用的锂离子电池负极材料，面临着两个基本的挑战：循环稳定性差和可逆循环容量保持率低。不同的制备方法以及复合结构都会对复合材料的电化学性能产生影响，开发强附着性、紧密电接触、耐用的新型硅碳复合材料，对促进硅/碳复合材料实际应用的进程具有重大意义。本文着重从制备方法、复合结构及电化学性能等方面综述了硅/碳复合材料近年来的研究进展，以期对后续的研究人员的相关实验提供理论依据。DOI:10.16552/https://www.360docs.net/doc/6314232984.html,ki.issn1001-1625.2015.04.018
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
硅碳负极材料复合方式
硅碳负极材料复合方式 锂离子电池具有能量密度高、开路电压高、循环寿命长等优点，被广泛应用于计算机、手机、EV以及其它便携式电子设备中。目前锂电池的商业化程度较高，作为锂电池的四大主材(正极材料、负极材料、隔膜、电解液)之一，负极材料的性能对电池性能具有关键影响，负极材料种类如图1所示。目前市场上锂电厂商主要选择石墨材料作为锂电池的负极材料，石墨属于碳负极材料中的一种，包括人造石墨和天然石墨。 图1.锂电池负极材料种类 石墨是较为理想的负极材料，由于其具有良好的循环稳定性、优异的导电性且层状结构具有良好的嵌锂空间，被广泛用于锂电池中。随着国家对于锂电
池性能要求的不断提高，石墨作为负极材料的不足也逐渐显露出来，例如克容量低(372mAh/g)、循环次数较多时层状结构容易剥离脱落等，限制了锂电池比能量和性能的进一步提升。科研工作者致力于寻找一种可以替代碳负极材料的材料。 由于硅可以和锂形成二元合金，且具有很高的理论容量(4200mAh/g)而备受关注。另外，硅还具有低的脱嵌锂电压平台(低于0.5VvsLi/Li+)，与电解液反应活性低，在地壳中储量丰富、价格低廉等优点，是一种非常具有前景的锂电池负极材料。 图2.石墨与硅的结构比较 但是硅作为锂电池负极具有致命的缺陷，充电时锂离子从正极材料脱出嵌入硅晶体内部晶格间，造成了很大的膨胀(约300%)，形成硅锂合金。放电时锂离子从晶格间脱出，又形成成了很大的间隙。单独使用硅晶体作为负极材料容易产生以下问题：
第一、在脱嵌这个过程中，硅晶体体积出现了明显的变化，这样的体积效应极易造成硅负极材料从集流体上剥离下来，导致极片露箔引起电化学腐蚀和短路等现象，影响电池的安全性和使用寿命。 第二、硅碳为同一主族元素，在首次充放电时同样也会形成SEI包覆在硅表面，但是由于硅体积效应造成的剥落情况会引起SEI的反复破坏与重建，从而加大了锂离子的消耗，最终影响电池的容量。 结合碳材料和硅材料的优缺点，经常将两者复合来使用，以最大化提高其实用性。通常根据碳材料的种类可以将复合材料分为两类：硅碳传统复合材料和硅碳新型复合材料。其中传统复合材料是指硅与石墨、MCMB、炭黑等复合，新型硅碳复合材料是指硅与碳纳米管、石墨烯等新型碳纳米材料复合。不同材料之间会形成不同的结合方式，硅碳材料的复合方式/结构主要有以下几种： 一、核桃结构 图3.核桃结构硅碳复合材料
【精品文章】二氧化硅低温合成硅纳米锂离子电池负极材料取得进展
二氧化硅低温合成硅纳米锂离子电池负极材料取得 进展 中国科学技术大学钱逸泰课题组发展了一种在200℃熔盐体系中，采用金属Al或Mg还原二氧化硅或硅酸盐制备纳米硅材料的方法。将该材料应用于锂离子电池负极材料，展示出优异的电化学性能。该研究成果以“Alowtemperaturemoltensaltprocessforaluminothermicreductionofsiliconoxidest ocrystallineSiforLi-ionbatteries”为题，发表在《能源环境科学》上（EnergyEnviron.Sci.,2015,8,3187-3191）。 ?该工作是钱逸泰课题组熔盐体系中用金属镁还原四氯化硅 (SiCl4+Mg+AlCl3)制备硅纳米材料(Angew.Chem.Int.Ed.2015,54,3822)的拓展性工作，但此次报道的工作因采用二氧化硅及各种硅酸盐为硅源，原料更加易得、价格便宜，更易放大，该工作的实用性更加显著。另外，该工作可以用价格更加便宜的金属Al为还原剂，反应中生成AlOCl，解决了长期以来铝热反应中生成惰性的Al2O3而使反应无法低温下进行的问题，促进了反应在低温下的持续进行。 ?一直以来，利用廉价的二氧化硅或硅酸盐制备硅材料都需要较高的反应温度。目前工业上采用的方法依然是高温碳热还原法（1700℃），所制备的硅大都为块材，难以应用于锂离子电池负极材料。2007年至今，650℃条件下镁热还原二氧化硅是主要的制备纳米硅材料的方法，但该方法条件苛刻，容易产生副产物Mg2Si，且产率较低。铝热还原二氧化硅因产生惰性的Al2O3，需高于铝的熔点，700℃以上的高温反应才能进行。
清华大学硅碳负极方面的研究
清华大学关于硅碳复合负极材料方面的专利汇总 清华大学化学工程系魏飞教授关于硅碳负极方面的专利在soopat或佰腾专利搜索只能检索到一篇（201510395054.7），且还未授权，其专利大致情况如下所示： 该硅碳复合材料是一种核壳结构，其中以硅或其氧化物为核，石墨烯为壳的亚/微米颗粒，所得材料的粒径尺寸在0.05-15um之间，石墨烯的重量占核壳结构颗粒总重量的1-8wt%，且核壳结构的比表面积等于或小于原始硅或其氧化物颗粒的比表面积。制备的复合材料宏观形貌为球形、棒状、片状、不规则多面体形状。其制备方法包括如下步骤： 1）在常温下，将含碳粘合剂（如直连、直链淀粉、葡萄糖、多羟基醇）溶于去离子水中，持续搅拌并缓慢加热至50-100℃，保持恒温1-6小时，得到粘性液体； 2）将粒径为0.1um-10um的硅或其氧化物颗粒加入到步骤1）所制备的粘性液体中，搅拌得到固含量为30-60wt%悬浊液浆料； 3）将步骤2）得到的浆料进行喷雾造粒，得到粒径分布在50-300um之间的多孔球形颗粒，即二级结构颗粒； 4）将步骤3）得到的二级结构颗粒填充到流化床中，在惰性气氛中加热至反应温度700-1000℃，然后通入碳源（如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、甲苯、苯等），惰性气体和碳源的总空速为500-900 h-1，保持碳源与惰性气体的体积比在0.5-2之间，进行化学气相沉积，反应时间为20-60min，得到粒径尺寸为0.05-15um的石墨烯包覆的硅或其氧化物核壳结构。 清华大学材料系黄正宏教授有一篇关于硅碳负极方面的专利（200910082897.6）。该专利的大致情况如下所示。 该复合负极材料由基体和均匀分布其中的颗粒组成，其中颗粒是一种具有纳米尺寸的核壳结构颗粒；所述纳米颗粒的核为纳米硅，壳为有机物热解得到的无定型碳，所述的基体是高压静电电纺制备的有机纤维热解碳化后得到的，为不规则多孔洞的无定型碳网络结构。其大致步骤如下：
锂离子电池硅碳负极材料研发现状与发展趋势
Material Sciences 材料科学, 2020, 10(4), 248-252 Published Online April 2020 in Hans. https://www.360docs.net/doc/6314232984.html,/journal/ms https://https://www.360docs.net/doc/6314232984.html,/10.12677/ms.2020.104030 Research and Development Status and Trend of Silicon Carbon Anode Materials for Lithium Ion Batteries Yimin Xie1*, Jin Guo2, Xianhua Dong1 1Shandong Tianli Energy Co., Ltd., Jinan Shandong 2Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Sinopec, Dalian Liaoning Received: Mar. 31st, 2020; accepted: Apr. 15th, 2020; published: Apr. 22nd, 2020 Abstract This paper introduces the development process, research and development status and develop-ment trend of silicon carbon anode materials for lithium-ion batteries. The electrochemical prop-erties of the silicon carbon anode materials with different materials and different methods are quite different. The specific capacity ranges from about 500 mAh/g to about 2000 mAh/g. After 40 cycles, the capacity retention rate ranges from 47% to more than 90%. The research and devel-opment trend of silicon carbon anode materials is put forward. In the research and development process, the raw materials and material composite methods should be determined according to the use goal of the battery. In addition, attention should be paid to the uniformity of the micro structure and the stability of the macro structure, so as to solve the problems of volume expansion and poor conductivity of silicon materials. Keywords Lithium Ion Battery, Silicon Carbon Anode, Composite Material, High Specific Capacity 锂离子电池硅碳负极材料研发现状与发展趋势 谢以民1*，郭金2，董宪华1 1山东天力能源股份有限公司，山东济南 2中国石油化工股份有限公司大连石油化工研究院，辽宁大连 收稿日期：2020年3月31日；录用日期：2020年4月15日；发布日期：2020年4月22日 *通讯作者。
锂离子电池硅纳米线负极材料研究
锂离子电池硅纳米线负极材料研究.txt11生命是盛开的花朵，它绽放得美丽，舒展，绚丽多资；生命是精美的小诗，清新流畅，意蕴悠长；生命是优美的乐曲，音律和谐，宛转悠扬；生命是流淌的江河，奔流不息，滚滚向前本文由tabwol007贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第 15 卷 1 期第 2009 年 2 月 电化学 ELECTROCHEM ISTRY Vol 15 No. 1 . Feb. 2009 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 ) 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、 SEM 和充放电曲线表征、观察和摘要 : 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 : ; 纳米线 ; 负极材料 ; 锂离子电池 ; 电化学性能 ; 涂膜法 ; 直接生长成膜法硅中图分类号 : TM911 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 ( 4200 mAh / 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 [ 12 ] 4 应 (体积膨胀率 > 400% ) , 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 [ 52 ] 10 退 . 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 [ 11 2 ] 13 负极材料的研究还鲜有报道 . 此前作者已有硅纳米管嵌锂负极材料研究的 [ 14 ] 报道 ,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. 中 ,在氢气气氛下 ,升温至 600 ℃,控温 2 h,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 3 - 7 m / s,时间 3 h,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 ( 1 mg) 、导电剂乙炔黑和粘结剂 PVDF (聚偏氟乙烯 ) 按 85 ∶∶ ( by mass) 混匀 , 球磨 3 h, 制成浆料 , 涂敷在 5 10 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. 5 mm )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 1 mol/L L iPF6 的 EC /DMC ( 1 ∶ by volum e ) 1, 电解液 , 在充满氩气的手套箱 ( MBRAUN Lab2 M ater100, Ger any)中组装 2025 扣式电池 . m 1. 2 电极性能测试及仪器 EA /MA 1110 元素分析仪 (意大利卡劳尔巴公
硅碳材料是最有潜力的锂电池负极
新能源汽车领域的日趋火爆，吸引着国内外大量企业前赴后继奔赴“战场”，并不新鲜的锰酸锂技术却似乎又开始绽放出引人注目的色彩。技术创新固然可喜，但寻找性价比更高、储藏量更大、具有更多定价话语权的新原材料，才是提升行业终端降本增效能力的治本之法。 硅是目前人类至今为止发现的比容量(4200mAh/g)最高的锂离子电池负极材料,是一种最有潜力的负极材料，但硅作为锂电池负极应用也有一些瓶颈，第一个问题是硅在反应中会出现体积膨胀的问题。通过理论计算和实验可以证明嵌锂和脱锂都会引起体积变化，这个体积变化是320%。 所以不论做成什么样的材料，微观上，在硅的原子尺度或者纳米尺度，它的膨胀是300%。在材料设计时必需要考虑大的体积变化问题。高体积容量的材料在局部会产生力学上的问题，通过一系列的基础研究证明，它会裂开，形成严重的脱落。 硅体积膨胀会导致一系列结果 1.颗粒粉化，循环性能差 2. 活性物质与导电剂粘结剂接触差 第二个问题就是在硅表面的SEI膜是比较厚且不均匀的，受温度和添加剂的影响很大，会影响锂离子电池中整个比能量的发挥。 石墨表面因为导电性特别好，相对来说SEI膜比较均匀，它的组成跟硅负极不一样。为了研究这个问题，中科院相关科学家做了模型材料，通过微加工做成硅纳米柱。观察这种材料在充放电过程中SEI膜的生长，我们发现随着循环次数的增加，SEI膜逐渐把硅柱中间的空隙填上，覆盖完后还会继续生长大概4.5μm，在硅表面如果不加任何处理，SEI膜可以长得很厚。 这说明它是多孔的，溶剂始终能够接触到浸到硅的表面，这样在全电池设计时是不行的。怎么样解决这个问题，中科院科相关学家做了一些尝试在硅上做了碳包覆，为了做对比，我们硅上只做了部分的石墨烯包覆，其他地方空出来。最终看到包覆和不包覆SEI膜的生长情况
【CN110137446A】纳米硅碳负极材料生产装置及生产工艺【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910265329.3 (22)申请日 2019.04.03 (71)申请人 兰溪致德新能源材料有限公司 地址 321100 浙江省金华市兰溪市经济开 发区（兰江街道城郊西路17号） (72)发明人 陈青华 肖旦 房冰 (74)专利代理机构 北京久诚知识产权代理事务 所(特殊普通合伙) 11542 代理人 余罡 (51)Int.Cl. H01M 4/36(2006.01) H01M 4/38(2006.01) H01M 4/583(2010.01) H01M 4/62(2006.01) H01M 10/0525(2010.01) (54)发明名称 纳米硅碳负极材料生产装置及生产工艺 (57)摘要 本发明提供一种纳米硅碳负极材料生产装 置及生产方法，涉及锂电池负极材料技术领域。 包括升华沉积炉、气源系统和粉体收集器，升华 沉积炉包括升华室和沉积室，升华室位于沉积室 的下端位置，且升华室和沉积室连通，气源系统 与沉积室连通，粉体收集器与沉积室连通；其中， 升华室和沉积室可以进行单独控温。升华室加热 升华出一氧化硅蒸汽，在沉积室冷凝成纳米颗 粒，分散于整个沉积室内，与气源系统直接往沉 积室内输入含有碳源气体混合，并受热分解，促 使碳源气体在硅基颗粒上包覆一层沉积碳。包覆 完成的硅碳复合材料被吸入粉体收集器内，被粉 体收集器捕捉收集。通过该方式所制得的硅碳复 合材料具有颗粒大小均匀，一致性高，碳包覆层 厚度均匀。权利要求书2页 说明书6页 附图4页CN 110137446 A 2019.08.16 C N 110137446 A
硅石墨烯复合负极材料体积膨胀及SEI膜地原因机理及解决方法
硅/石墨烯复合负极材料 1、硅体积膨胀的原因及反应机理 迄今为止，负极材料中硅的理论容量最高，Li 和Si 形成合金LixSi （0 固相非晶化过程（electrochemically-driven solid-state amorphization）。 晶相的硅锂合金还有其它的化合物包括 LiSi、Li 21Si 5 、Li 15 Si 4 等，常见的几种 硅锂合金的晶格结构如表 1.1。 表1.1 锂硅合金的晶体结构 LiSi Li12Si7Li7Si3Li13Si4Li15Si4Li21Si5Li22Si5四方晶系正交晶系菱方晶系正交晶系体心立方面心立方面心立方对于常温下锂与晶体硅的电化学合金化机理，Obrvac[3]等人对近几年的相关研究成果进行了总结，如图1.2和1.3所述。 图1.2晶体硅颗粒作为负极时的前两次的电化学性能曲线（a）硅电极电压-容量曲线（b） 硅电极C-V曲线[3] 图1.3 硅电极与锂反应过程的示意图[3] 锂电池硅基负极材料技术现状与展望 与传统石墨负极相比，硅具有超高的理论比容量（4200 mAh/g）和较低的脱锂电位（<0.5 V），且硅的电压平台略高于石墨，在充电时难引起表面析锂，安全性能更好。硅成为锂离子电池碳基负极升级换代的富有潜力的选择之一。 但硅作为锂离子电池负极材料也有缺点。硅是半导体材料，自身的电导率较低。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300%以上的膨胀与收缩，产生的机械作用力会使材料逐渐粉化，造成结构坍塌，最终导致电极活性物质与集流体脱离，丧失电接触，导致电池循环性能大大降低。此外，由于这种体积效应，硅在电解液中难以形成稳定的固体电解质界面(SEI)膜。伴随着电极结构的破坏，在暴露出的硅表面不断形成新的SEI 膜，加剧了硅的腐蚀和容量衰减。 为改善硅基负极循环性能，提高材料在循环过程中的结构稳定性，通常将硅材料纳米化和复合化。目前，硅材料纳米化的主要研究方向包括：硅纳米颗粒（零维纳米化）、硅纳米线/管（一维纳米化）、硅薄膜（二维纳米化）和3D多孔结构硅、中空多孔硅（三维纳米化）；硅材料复合化的主要研究方向包括：硅/金属型复合、硅/碳型复合及三元型复合（如硅/无定型碳/石墨三元复合体系）。 其中，硅纳米颗粒和三维多孔结构硅都可以在一定程度上抑制材料的体积效应，同时还能减小锂离子的扩散距离，提高电化学反应速率。但它们的比表面积都很大，增大了与电解液的直接接触，导致副反应及不可逆容量增加，降低库仑效率。此外，硅活性颗粒在充放电过程中很容易团聚，发生“电化学烧结”，加快容量衰减。 硅纳米线/管可减小充放电过程中径向的体积变化，实现良好的循环稳定性，并在轴向提供锂离子的快速传输通道。但会减小硅材料的振实密度，导致硅负极的体积比容量降低。硅薄膜可降低与薄膜垂直方向上产生的体积变化，维持电极的结构完整性。但经多次循环后，硅薄膜易发生破碎，并与衬底脱离，且硅薄膜的制备成本较高。 硅/金属型复合中的金属组分可以提高材料的电子电导，减小硅材料的极化，提高硅材料的倍率性能。金属的延展性可以在一定程度上抑制硅材料的体积效应，提高循环性能，但制备过程中产生的硅结构缺陷具有很高的电化学活性，会导致不可逆容量变大。且硅与金属复合无法避免活性硅与电解液直接接触，生成不稳定的SEI 膜，导致电池循环性能降低。 硅/碳型复合中，因碳材料具有较高的电子电导与离子电导，可改善硅基材料的倍率性能，抑制硅在循环过程中的体积效应。此外，碳材料能阻隔硅与电解液直接接触，降低不可逆容量。但缺点是硅材料和碳材料二者的界面接触较差，对硅材料纳米尺度的孔内壁进行完整均匀的碳包覆难度较大。 硅碳负极材料的最新研究进展硅基材料作为锂离子电池负极具有容量高、来源广泛以及环境友好等优势，有望替代目前应用广泛的石墨负极成为下一代锂离子电池的主要负极材料。本文从材料选择、结构设计以及电极优化方面简要介绍了硅/碳复合材料的最新研究进展，并对未来发展方向进行了展望。 随着时代的需求飞速发展，锂离子电池的能量密度以每年7%~10%的速率提升。2016年，我国发布了动力电池能量密度硬性指标，根据《节能与新能源汽车技术路线图》，2020年纯电动汽车动力电池的能量密度目标为350W˙h/kg。 为满足新一代能源需求，开发新型锂电负极技术迫在眉睫。 硅在常温下可与锂合金化，生成Li15Si4相，理论比容量高达3572mA˙h/g，远高于商业化石墨理论比容量(372mA˙h/g)，在地壳 元素中储量丰富(26.4%，第2位)，成本低、环境友好，因而硅负极材料一直备受科研人员关注，是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。 然而，硅在充放电过程中存在严重的体积膨胀(~300%)，巨大的体积效应及较低的电导率限制了硅负极技术的商业化应用。为克服这些缺陷，研究者进行了大量的尝试，采用复合化技术，利用“缓冲骨架”补偿材料膨胀。 碳质负极材料在充放电过程中体积变化较小，具有较好的循环稳定性能，而且碳质负极材料本身是离子与电子的混合导体；另外，硅与碳化学性质相近，二者能紧密结合，因此碳常用作与硅复合的首选基质。 在Si/C复合体系中，Si颗粒作为活性物质，提供储锂容量；C 既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善Si质材料的导电性，还能避免Si颗粒在充放电循环中发生团聚。因此Si/C复合材料综合了二者的优点，表现出高比容量和较长循环寿命，有望代替石墨成为新一代锂离子电池负极材料。 近年来，硅碳负极材料相关技术发展迅速，迄今已有少量产品实现实用化，日本日立集团Maxell公司已开发出一种以“SiO-C”材料为负极的新式锂电池，并成功地应用到诸如智能手机等商业化产品中。然而，硅碳负极锂离子电池距离真正大规模商业化应用仍有大量科学问题亟需解决。 硅石墨烯最近文献综述(2013-至今) Minsu Gu, Seunghee Ko, Seungmin Yoo等[1]提出了一种同轴核壳硅-石墨烯纤维结构，该纤维结构的制备采用双喷嘴设备进行湿纺组装。其中，核由银包覆的纳米硅颗粒与氧化石墨烯混合液组成，壳是氧化石墨烯分散液，分别由两个喷丝头进入，然后用水合肼将氧化石墨烯还原为石墨烯，从而制备出Si@Ag/TRGO 复合材料。具体制备示意图如图1所示： 图1 同轴Ag修饰Si-石墨烯纤维湿法纺丝过程示意图 通过该方法制备的Si@Ag/TRGO900复合材料电极无需导电剂，在0.2C倍率下，首次充放电容量分别为1204 mAh/g和960 mAh/g，首次库仑效率为79.7%，100个循环后的充电容量为766 mAh/g，容量保持率为79.8%。 Jaegyeong Kim, Changil Oh, Changju Chae等[2]采用水性溶胶凝胶法制备出出了Si/C-IWGN（internally wired with graphene networks）复合材料。其中，溶胶凝胶系统由硅纳米颗粒、间苯二酚-甲醛和氧化石墨烯组成。大致步骤为：首先将纳米硅颗粒在水中超声分散，同时加入氧化石墨烯溶液，接着超声分散均匀，然后加入间苯二酚、甲醛（碳源前驱体）以及碳酸钠（催化剂）进行缩聚反应，最后将得到的复合凝胶在850℃下高温碳化处理即可制备出目标产物。具体制备示意图如图2上半部分所示： 图2 Si/C-IWGNs和涉及的Si/C复合材料制备示意图 作者发现，Si/C-IWGNs中少量的石墨烯（1-10wt%）能够有效的提高复合材料的循环稳定性，这主要归功于以下因素：1）石墨烯网络在复合材料中的形成；2）石墨烯网络能够提供足够的空间来容纳硅的体积膨胀。此外，Si/C-IWGNs 显示出比商用石墨高141%的体积容量。作者最后还制备了Si-Gr（由Si/C-IWGN 和石墨组成）复合材料，在100 mA/g的电流密度下，首次库仑效率为80.0%，容量高达800-900 mAh/g，体积容量高于石墨的161%，100个循环后的容量保持率为89.1%。 Hai Li, Chunxiang Lu, Baoping Zhang等[3]通过对纳米硅颗粒、蔗糖和氧化石墨烯混合物进行冷冻干燥后进行热处理，制备出了Si@C/G复合材料，该方法在实现了纳米硅颗粒的碳包覆的同时，也解决了石墨烯基片在复合材料的分散问题，如图3所示： 图3 Si@C/G制备路线示意图：Si纳米颗粒、蔗糖和GO水溶液的混合物1）冷冻干燥；2） 在氮气氛围内1000℃下热处理锂电池硅基负极材料技术现状与展望
硅碳负极材料的最新研究进展
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