前沿:硅碳负极材料最新研究进展
硅基材料作为锂离子电池负极具备容量低、来源普遍以及环境友好等优势,未来将会替代目前应用于普遍的石墨负极沦为下一代锂离子电池的主要负极材料。本文从材料自由选择、结构设计以及电极优化方面详细讲解了硅/碳复合材料的近期研究进展,并对未来发展方向展开了未来发展。随着时代的市场需求飞速发展,锂离子电池的能量密度以每年7%~10%的速率提高。
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本文摘要:硅基材料作为锂离子电池负极具备容量低、来源普遍以及环境友好等优势,未来将会替代目前应用于普遍的石墨负极沦为下一代锂离子电池的主要负极材料。本文从材料自由选择、结构设计以及电极优化方面详细讲解了硅/碳复合材料的近期研究进展,并对未来发展方向展开了未来发展。随着时代的市场需求飞速发展,锂离子电池的能量密度以每年7%~10%的速率提高。

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硅基材料作为锂离子电池负极具备容量低、来源普遍以及环境友好等优势,未来将会替代目前应用于普遍的石墨负极沦为下一代锂离子电池的主要负极材料。本文从材料自由选择、结构设计以及电极优化方面详细讲解了硅/碳复合材料的近期研究进展,并对未来发展方向展开了未来发展。随着时代的市场需求飞速发展,锂离子电池的能量密度以每年7%~10%的速率提高。

2016年,我国公布了动力电池能量密度硬性指标,根据《节约能源与新能源汽车技术路线图》,2020年显电动汽车动力电池的能量密度目标为350W˙h/kg。为符合新一代能源需求,研发新型锂电负极技术迫在眉睫。

硅在常温下可与锂合金化,分解Li15Si4互为,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),在地壳元素中储量非常丰富(26.4%,第2位),成本低、环境友好,因而硅负极材料仍然倍受科研人员注目,是最不具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。然而,硅在充放电过程中不存在相当严重的体积收缩(~300%),极大的体积效应及较低的电导率容许了硅负极技术的商业化应用于。为解决这些缺失,研究者展开了大量的尝试,使用复合化技术,利用“缓冲器骨架”补偿材料收缩。

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碳质负极材料在充放电过程中体积变化较小,具备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,硅与碳化学性质相似,二者能紧密结合,因此碳常用不作与硅填充的选用基质。在Si/C填充体系中,Si颗粒作为活性物质,获取储锂容量;C既能缓冲器充放电过程中硅负极的体积变化,又能提高Si质材料的导电性,还能避免Si颗粒在充放电循环中再次发生一家人。

因此Si/C复合材料综合了二者的优点,展现出出高比容量和较长循环寿命,未来将会替换石墨沦为新一代锂离子电池负极材料。近年来,硅碳负极材料涉及技术发展很快,迄今已有少量产品构建实用化,日本日立集团Maxell公司已研发出有一种以“SiO-C”材料为负极的新式锂电池,并顺利地应用于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确实大规模商业化应用于仍有大量科学问题急需解决问题。

本文从材料自由选择、结构设计以及电极优化等方面综述了硅/碳复合材料近年来的研究进展,并对硅碳材料的发展趋势不作了可行性未来发展,以期为更进一步研究高性能锂离子电池负极用硅碳复合材料获取糅合。硅碳复合材料结构设计从硅碳复合材料的结构抵达,可将目前研究的硅碳复合材料分成外壳结构和映射结构。

1.1外壳结构外壳结构是在活性物质硅表面外壳碳层,减轻硅的体积效应,强化其导电性。根据外壳结构和硅颗粒形貌,外壳结构可分成核壳型、蛋黄-壳型以及多孔型。1.1.1核壳型核壳型硅/碳复合材料是以硅颗粒为核,在核外表面均匀分布外壳一层碳层。

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碳层的不存在不仅不利于减少硅的电导率,缓冲器硅在脱嵌锂过程中的部分体积效应,还可以最大限度减少硅表面与电解液的必要认识,进而减轻电解液分解成,使整个电极的循环性能获得提升。Zhang等使用乳液聚合法在硅纳米颗粒表面外壳聚丙烯腈(PAN),经800℃热处理获得硅碳核壳结构复合材料(SiC)。

无定形碳层诱导了充放电过程中硅颗粒的一家人,SiC在循环20次后容量保持在初始容量的50%左右。相比之下,硅纳米颗粒在循环20次后容量波动相当严重。Hwa等以聚乙烯醇(PVA)为碳源,使用惰性气氛下高温热求解对硅纳米颗粒展开碳外壳,获得碳壳层厚度为5~10nm薄的硅碳复合材料。

使用硅纳米颗粒可以减少硅的意味著体积效应,弱化材料内部形变,碳外壳则更进一步缓冲器了硅内核的收缩,该复合材料在100mA/g电流下循环50次后比容量仍平均1800mA˙h/g,展现出色的循环稳定性,而显纳米Si和碳外壳微米硅(4μm)容量则波动至严重不足200mA˙h/g。Xu等通过高温浸渍凝稍氟乙烯(PVDF)获得核壳型硅碳复合材料,其碳层厚度为20~30nm;该硅碳复合材料电极在0.02~1.5V电压范围内,50mA/g电流条件下的首次共轭比容量为1328.8mA˙h/g,循环30次后怀C),闻图1。与单壳层SiC比起,SiSiO2C具备更高的容量维持亲率,在0.01~5V电压范围内循环100次后仍具备785mA˙h/g的共轭容量。研究指出,中间层SiO2作为缓冲器互为,可更进一步增大循环过程产生的收缩形变;同时,SiO2层还可与蔓延的Li+再次发生不可逆反应,分解Si和Li4SiO4合金,更进一步确保了材料的共轭容量。


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