一种新型锂离子和钠离子电池两用二维负极材料
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https://www.360docs.net/doc/32913880.html,
物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.-Chim.Sin.2016,32(4),816－816
April
doi:10.3866/PKU.WHXB201603141
一种新型锂离子和钠离子电池两用二维负极材料
黄云辉
(华中科技大学材料科学与工程学院，武汉430074)
伴随着人们对于清洁、便携式能源需求的不断增长，锂离子电池由于较高的能量密度以及较长的循环寿命一直成为学术界和产业界追逐的热点，目前已广泛应用于各种便携式电子设备和电网储能，特别是近年来在新能源汽车领域的商业化应用越来越迫切1,2。众所周知，锂离子电池的综合表现高度依赖其电极材料。现阶段广泛使用的负极材料是石墨，石墨成本低廉且具有较好的综合性能，但其较低的储锂容量满足不了新一代高比能电池的技术要求。其它负极材料如硅、氧化物等也都面临一些应用问题，其中最突出的就是充放电过程中的体积膨胀及导电性较差，这将导致循环寿命大幅度缩短。近些年来，钠离子电池作为一种锂离子电池的替代储能器件获得了迅速的发展，这主要是源于钠离子电池优秀的安全性、丰富廉价的原材料以及环境友好等特性3。因此如何设计和制备适用于新一代锂/钠离子电池两用负极材料同时具备较高的容量、优异的循环特性、快速充放电能力以及满足大规模使用的安全性，是一个非常有意义的课题。
鉴于二维单层材料具有平整的表面和较大的比表面积，作为电池的负极材料是极有可能获得高能量密度和高迁移率。最近山东大学戴瑛教授领衔的团队通过第一性原理计算的方法在金属离子电池方面取得了重要进展4。该研究成果发表在最近的The Journal of Physical Chemistry Letters 上。该团队设计并获得了一种可同时应用于锂/钠离子电池的优异负极材料——二维Mo 2C 4。结果显示该单层材料具有极佳的动力学和热力学稳定性。在金属离子吸附的测试中，该材料不仅可以作为锂离子电池的负极材料同时在钠离子电池中
也具有潜在的应用价值。据报道，二维Mo 2C 材料对于锂离子和钠离子的迁移势垒分别为35和15meV 。这项结果显示出了该材料出色的迁移特性，同时预示着在锂/钠离子电池的使用中将具有快速的充放电特性，对比于广泛研究的MXenes 、石墨烯体系以及MoS 2等材料有着更加优秀的性能。此外，在锂离子电池的测算中理论容量达到了526mAh ?g －
1，平均电极电位为0.14eV ；结构上吸附金属离子前后对整体材料体积的影响可以忽略不计，而且吸附的锂离子层间分布着的类自由电子也进一步保证了锂离子的迁移，这些性质都预示着二维Mo 2C 将有可能成为非常优秀的负极材料。与此同时，二维Mo 2C 在对钠离子电池的应用中也表现出了不俗的性能，包括可观的容量以及合适的平均电极电位等。分析结果显示钠离子之间的排斥力和与表面的吸附形成了竞争的关系，进一步表面修饰有望进一步提升其应用于钠离子电池时的电化学性能。因此，二维Mo 2C 材料将有希望在锂/钠离子电池领域成为下一代储能电池极具竞争力的电极材料，该团队的工作将激发对这类材料的进一步研究开发及可能的实际应用。
References
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硅负极材料在锂离子电池中的应用
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
硅基锂离子电池负极材料
硅基锂离子电池负极材料 硅是目前已知比容量（4200mAh/g）最高的锂离子电池负极材料，但由于其巨大的体积效应（>300%），硅电极材料在充放电过程中会粉化而从集流体上剥落，使得活性物质与活性物质、活性物质与集流体之间失去电接触，同时不断形成新的固相电解质层SEI，最终导致电化学性能的恶化。近年来，研究者们做了大量的研究和探索，尝试解决这些问题并取得了一定的成效，下面就由小编带着大家看看这一领域的研究进展，并提出进一步的研究方向和应用前景。 硅的脱嵌锂机理和容量衰减机制 硅不具有石墨基材料的层状结构，其储锂机制和其他金属一样，是通过与锂离子的合金化和去合金化进行的，其充放电电极反应可以写作下式： Si+xLi++xe-LiXSi 图1硅基锂离子电池原理图：（a）充电；（b）放电
在与锂离子发生合金与去合金化过程中，硅的结构会经历一系列的变化，而硅锂合金的结构转变和稳定性直接关系到电子的输送。 根据硅的脱嵌锂机理，我们可以把硅的容量衰减机制归纳如下：（1）在首次放电过程中，随着电压的下降，首先形成嵌锂硅与未嵌锂晶态硅两相共存的核壳结构。随着嵌锂深度的增加，锂离子与内部晶体硅反应生成硅锂合金，最终以Li15Si4的合金形式存在。这一过程中相比于原始状态硅体积变大约3倍，巨大的体积效应导致硅电极的结构破坏，活性物质与集流体'活性物质与活性物质之间失去电接触，锂离子的脱嵌过程不能顺利进行，造成巨大的不可逆容量。（2）巨大的体积效应还会影响到SEI的形成，随着脱嵌锂过程的进行，硅表面的SEI会随着体积膨胀而破裂再形成，使得SEI越来越厚。由于SEI的形成会消耗锂离子，因而造成了较大的不可逆容量。同时SEI较差的导电性还会使得电极的阻抗随着充放电过程不断增大，阻碍集流体与活性物质的电接触，增加了锂离子的扩散距离，阻碍锂离子的顺利脱嵌，造成容量的快速衰减。同时较厚的SEI还会造成较大的机械应力，对电极结构造成进一步破坏。（3）不稳定的SEI层还会使得硅及硅锂合金与电解液直接接触而损耗，造成容量损失。 硅材料的选择与结构设计 1.无定型硅和硅的氧化物 （1）无定型硅 无定形硅在低电位下拥有较高的容量，作为锂离子电池负极材料"相比于石墨类电极材料安全性能更高。但无定形硅材料只能在有限程度上缓解颗粒的破碎和粉化，其循环稳定性仍不能满足作为高容量电池负极材料的要求。 （2）硅的氧化物 作为锂离子电池负极材料，SiO具有较高的理论比容量（1200mAh/g以上）、良好的循环性能以及较低的脱嵌锂电位，因此也是一种极具潜力的高容量锂离子电池负极材料。但氧化硅含氧量的不同也会影响其稳定性和可逆容量：随着氧化硅中氧的提高，循环性能提高，但可逆容量减小。 除此之外，硅氧化物作为锂离子电池负极材料还存在一些问题：由于首次嵌锂过程中Li2O和锂硅酸盐形成过程是不可逆的，使得首次库仑效率很低；同时Li2O和锂硅酸盐导电性差，使得电化学动力学性能较差，因而其倍率性能差；相比于单质硅，硅氧化物作为负极材料的循环稳定性更好，但是随着循环次数继续增加，其稳定性仍然很差。 2.低维硅材料
(完整版)钠离子电池负极材料
钠离子电池负极材料 摘要 在大量电池需求下，由于钠相对于锂更加环保、价格低廉、分布广泛等优点，对钠离子电池负极材料的研究热情日益高涨。钠离子电池负极材料主要分为含碳材料、氧化物/磷酸盐（钠嵌入材料）、钠合金/复合物等。阐述不同的材料有不同的嵌入/脱嵌钠的反应机制。同时强调钠离子电池作为锂离子电池潜在的商业对手，由于价格低廉和相对高的能量密度带来的前景。 1.引言 可充电锂电池，通常叫做锂离子电池，，被认为是至今最成功和成熟的能量储存装置。起初因为高能和安全被广泛研究，同时作为电车的可选电源。配备大量锂电池作为电源的电车已经慢慢占领电动市场，将来有望减少对化石燃料的依赖性。但是必要元素锂广泛分布在地壳，并不能被认为很充足；同时，自从锂离子电池的商业化，锂材料价格迅速上升。恰恰相反，钠元素广泛存在于海盐中，可谓用之不尽；同时作为半径仅次于锂的第二轻的碱金属元素，化学性质与锂相似。 钠与锂有些许的差别：钠 原子是锂原子的三倍重，离子 半径更大，Na/Na+标准电势高 于Li/Li+3.4V，相应地体能量 密度或者重量能量密度低，钠 熔点（97.7℃）低于锂熔点 （180.5℃），所以钠的安全性 低于锂。因为钠离子半径大， 主电极材料要求有充足大的 间隙容纳钠离子，进行可逆、 迅速的离子/电子注入与排出。 钠离子电池主要的障碍在于合适的负电极。石墨烯的发现，加速了锂离子电池的发展，理论容量为372 mA h g-1，低平的工作电压平台。不幸的是，石墨烯不能作为钠离子的嵌入主体。随着对大规模电能储存电池要求的增加，产生对NIB的研究热情。在过去的三四十年，由于全世界大量的研究努力，NIB的负极化学性能已经有了极大提高。对NIB负极材料大致分为四类：⑴含碳材料⑵氧化物/磷酸盐材料（嵌入）⑶p-block元素⑷氧化物/硫酸盐（还原反应） 2.碳基电极 2.1钠注入硬碳 由于石墨烯可逆容量高达360 mA h g-1，被广泛作为LIB负极材料。然而在钠电池中化学活性非常低，仅有在氦气或真空条件加热金属钠小量的钠原子可以注入到石墨烯，形成NaC64，远远小于Li和K。较低晶态碳如软碳、硬碳，有更高的电化学活性。通常软碳包含无序结构，在高于2800℃是石墨化的。在高于600-700℃软碳高于石墨在锂电池的容量。然而初始循环后由于在软碳表面电解质分解，产生不可逆容量。硬碳（所谓的非石墨化碳）有类似于软碳的无序结构，
钠离子电池正负极材料研究新进展
第46卷第4期2018年4月 硅酸盐学报Vol. 46，No. 4 April，2018 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY https://www.360docs.net/doc/32913880.html, DOI：10.14062/j.issn.0454-5648.2018.04.05 钠离子电池正负极材料研究新进展 潘都1,2，戚兴国1，刘丽露1，蒋礼威1，陆雅翔1，白莹2，胡勇胜1，陈立泉1 (1. 中国科学院物理研究所清洁能源实验室，北京 100190； 2. 河南大学物理与电子学院，河南大学光伏材料重点实验室，河南开封 475004) 摘要：锂离子电池由于能量密度高、循环寿命长等优点在储能领域备受关注，但锂资源稀缺与分布不均制约了其大规模应用。基于与锂离子电池相似离子穿梭原理的钠离子电池由于钠资源丰富、成本低廉、适合于大规模储能等优点近年来发展迅速。本文介绍一些典型的钠离子电池正负极材料的研究新进展，评述其应用可行性及目前面临的问题，为长寿命、低成本钠离子电池的设计与开发提供参考依据。 关键词：规模储能；钠离子电池；正极材料；负极材料。 中图分类号：TM911 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2018)04–0479–20 网络出版时间：网络出版地址： Recent Development on of Cathode and Anode Materials for Sodium-Ion Batteries P AN Du1, 2, QI Xingguo1, LIU Lilu1, JIANG Liwei1, LU Yaxiang1, BAI Ying2, HU Yongsheng1, C HEN Liquan1 (1. Key Laboratory for Renewable Energy, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. School of Physics & Electronics and Henan Key Laboratory of Photovoltaic Materials, Henan University, Kaifeng 475004, Henan, China) Abstract: Lithium-ion batteries (LIBs) used in energy storage have attracted much attention due to the advantages of high energy density and long cycle life. However, the limited resources and uneven distribution restrict its large-scale application in grid energy storage. Therefore, sodium-ion batteries (SIBs) with the similar ion shuttling principle as LIBs are rapidly developed in recent years due to the massive abundance and low cost, which are suitable for large-scale energy storage system. This review introduced cathode and anode materials of SIBs developed in recent years. In addition, some challenges in practical application were also analyzed. Keywords: large-scale energy storage; sodium-ion batteries; cathode materials; anode materials. 随着人类社会的不断发展，化石燃料已经成为人们生活的主要供电来源。大范围地使用化石燃料而排放出的二氧化碳气体，成为全球变暖的主要原因之一。因此，新型电网中大力发展可再生能源如风能和太阳能的已经变得日益严峻和迫切。然而，电网的正常运行需要持续稳定的电力供给，但考虑到太阳能和风能过度依赖于环境、天气、季节和地点等自然和地理因素，并不适合直接并入电网。为了克服这个问题，诞生了各种储能技术，目前主要包括物理储能和化学储能。物理储能包括抽水蓄能、压缩空气储能、超导储能和飞轮储能等；化学储能则基于各种电化学储能器件，主要有铅酸电池、高温钠硫电池、钒液流电池、锂离子电池和超级电容器等。抽水蓄能是应用较多的物理储能技术，但是受到了地理条件的制约，难以实现对可再生能源发电站的灵活配套。电化学储能具有能量和功率密度 收稿日期：2017–07–16。修订日期：2017–09–30。 基金项目：国家重点研发计划(2016YFB0901504)项目；国家自然科学基金(11234013，51421002，51472268，51672069) 项目；中国 科学院“百人计划”项目。 第一作者：潘都(1989―)，男，博士研究生。 通信作者：胡勇胜(1976―)，男，博士，研究员。Received date: 2017–07–16. Revised date: 2017–09–30. First author: PAN Du (1989–), male, Doctoral candidate. E-mail: shangguandu@https://www.360docs.net/doc/32913880.html, Correspondent author: HU Yongsheng (1976–), male, Ph.D., Professor. E-mail: yshu@https://www.360docs.net/doc/32913880.html,
锂电池负极材料大体分为以下几种
锂电池负极材料大体分为以下几种： 第一种是碳负极材料： 目前已经实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。 第二种是锡基负极材料： 锡基负极材料可分为锡的氧化物和锡基复合氧化物两种。氧化物是指各种价态金属锡的氧化物。目前没有商业化产品。 第三种是含锂过渡金属氮化物负极材料，目前也没有商业化产品。 第四种是合金类负极材料： 包括锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金和其它合金，目前也没有商业化产品。 第五种是纳米级负极材料：纳米碳管、纳米合金材料。 第六种纳米材料是纳米氧化物材料：目前合肥翔正化学科技有限公司根据2009年锂电池新能源行业的市场发展最新动向，诸多公司已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前传统的石墨，锡氧化物，纳米碳管里面，极大的提高锂电池的冲放电量和充放电次数。 锂金属电池 锂－二氧化锰电池是一种以锂为阳极（负极）、以二氧化锰为阴极（正极），并采用有机电解液的一次性电池。该电池的主要特点是电池电压高，额定电压为3V(是一般碱性电池的2倍)；终止放电电压为2V；比能量大(金属锂的理论克容量为3074mAh)；放电电压稳定可靠；有较好的储存性能(储存时间3年以上)、自放电率低(年自放电率≤10%)；工作温度范围－20℃～+60℃。 该电池可以做成不同的外形以满足不同要求，它有长方形、圆柱形及纽扣形(扣式)。 锂离子电池 可充电锂离子电池是目前手机、笔记本电脑等现代数码产品中应用最广泛的电池，但它较为“娇气”，在使用中不可过充、过放(会损坏电池或使之报废)。因此，在电池上有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。锂离子电池充电要求很高，要保证终止电压精度在±1%之内，目前各大半导体器件厂已开发出多种锂离子电池充电的IC，以保证安全、可靠、快速地充电。 现在手机已十分普遍，基本上都是使用锂离子电池。正确地使用锂离子电池对延长电池寿命是十分重要的。它根据不同的电子产品的要求可以做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式，并且有由几个电池串联并联在一起组成的电池组。锂离子电池的额定电压，因为近年材料的变化，一般为3.7V，磷酸铁锂（以下称磷铁）正极的则为3.2V。充满电时的终止充电电压一般是4.2V，磷铁3.65V。锂离子电池的终止放电电压为2.75V～3.0V(电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压，各参数略有不同，一般为3.0V，磷铁为2.5V)。低于2.5V（磷铁2.0V）继续放电称为过放，过放对电池会有损害。
锂离子电池负极材料的研究进展
锂离子电池负极材料的研究进展 摘要：随着时代的进步，能源与人类社会的生存和发展密切相关，持续发展是全人类的、共同愿望与奋斗目标。矿物能源会很快枯竭，解决日益短缺的能源问题和日益严重的环境污染是对国家经济和安全的挑战也是对科学技术界地挑战。电池行业作为新能源领域的重要组成部分，已经成为全球经济发展的一个新热点本文阐述了锂离子负极材料的基本特性，综述了碳类材料、硅类材料以及这两种材料形成的复合材料作为锂离子电池负极材料的研究及开发应用现状。 关键词：锂离子电池负极材料碳/硅复合材料 引言：电极是电池的核心，由活性物质和导电骨架组成正负极活性物质是产生电能的源泉，是决定电池基本特性的重要组成部分。本文就锂离子电池的负极材料进行研究。锂离子电池是目前世界上最为理想的可充电电池。它不仅具有能量密度大、无记忆效应、循环寿命长等特点，而且污染小，符合环保要求。随着技术的进步，锂离子电池将广泛应用于电动汽车、航空航天、生物医学工程等领域，因此,研究与开发动力用锂离子电池及其相关材料有重大意义。对于动力用锂离子电池而言，关键是提高功率密度和能量密度，而功率密度和能量密度提高的根本是电极材料，特别是负极材料的改善。 1、锂离子负极材料的基本特性 锂离子电池负极材料对锂离子电池性能的提高起着至关重要的作用。锂离子电池负极材料应具备以下几个条件： (1) 应为层状或隧道结构，以利于锂离子的脱嵌且在锂离子嵌入和脱出时无结构上的变化，以使电极具有良好的充放电可逆性和循环寿命； (2) 锂离子在其中应尽可能多的嵌入和脱出，以使电极具有较高的可逆容量。在锂离子的脱嵌过程中，电池有较平稳的充放电电压； (3) 首次不可逆放电比容量较小； (4) 安全性能好； (5) 与电解质溶剂相容性好； (6) 资源丰富、价格低廉； (7) 安全、不会污染环境。 现有的负极材料很难同时满足上述要求。因此，研究和开发新的电化学性能更好的负极材料成为锂离子电池研究领域的热门课题。 2、选材要求 一般来说，锂离子电池负极材料的选择主要要遵循以下原则：1、插锂时的氧化还原电位应尽可能低，接近金属锂的电位，从而使电池的输出电压高；2、锂能够尽可能多地在主体材料中可逆的脱嵌，比容量值大；3、在锂的脱嵌过程中，主体结构没有或很少发生变化，以确保好的循环性能；4、氧化还原电位随插锂数目的变化应尽可能的少，这样电池的电压不会发生显著变化，可以保持较平稳的充放电：5、插入化合物应有较好的电子电导率和离子电导率，这样可以减少极化并能进行大电池充放电；6、具有良好的表面结构，能够与液体电解质形成良好的固体电解质界面膜；7、锂离子在主体材料有较大的扩散系数，便于快速的充放电；8、价格便宜，资源丰富对环境无污染 3、负极材料的主要类型用作锂离子电池负极材料的种类繁多，根据主体相
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/32913880.html,ki.issn1001-1625.2015.04.018
钠离子电池
钠离子电池 钠离子电池实际上是一种浓差电池，正负极由两种不同的钠离子嵌入化合物组成。充电时，Na+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富钠态，正极处于贫钠态，同时电子的补偿电荷经外电路供给到极，保证正负极电荷平衡。放电时则相反，Na+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于处于富钠态。 钠离子电池工作原理示意图 几种重要的钠离子电池正、负极材料的容量和电压值 中科院物理设计了一系列含Cu的O3相层状氧化物材料，其通式可以写为 Naa[Cu1-x-y-z-d Fe x Mn y Ti z D d]O2(D: dopant, e.g., Li, Mg, Al, etc., 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 ≤ z < 1, 0 ≤d < 1,0.6 < a ≤1) ，实现了Cu2+/Cu3+的氧化还原反应。其中， O3-Na0.90[Cu0.22Fe0.30Mn0.48]O2正极材料可以实现0.4个钠离子的可逆脱嵌，可逆
容量达到100 mAh/g。该钠离子电池正极材料是迄今发现的唯一可在空气中稳定的O3相层状氧化物材料；且循环性能优异，100周循环后容量保持率97%。使用该材料作为正极、硬碳作为负极组装的钠离子全电池具有210 Wh/Kg 的能量密度（基于正负极活性物质质量计算得到） Advanced Materials, 2015, 27, 6928-6933 Yu et al.制备了在碳纳米纤维中植入单层MoS2纳米片所制备的钠离子电池的容量密度达到854mA·h/g Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 2152 –2156
钠离子电池综述
钠离子电池 近年来，随着电子设备、电动工具、小功率电动汽车等迅猛发展，研究高能效、资源丰富及环境友好的储能材料是人类社会实现可持续性发展的必要条件。为满足规模庞大的市场需求，仅依靠能量密度、充放电倍率等性能衡量电池材料是远远不够的。电池的制造成本与能耗是否对环境造成污染以及资源的回收利用率也将成为评价电池材料的重要指标。电池发展有以下显著特点:绿色环保电池发展迅猛;一次电池向二次电池转化,这有利于节约地球有限的资源,符合可持续发展的战略;电池进一步向小、轻、薄方向发展。 钠是地球上储量较丰富的元素之一，与锂的化学性能类似，因此也可能适用于锂离子电池体系。钠离子电池相比锂离子电池有诸多优势，如成本低，安全性好，随着研究的深入，钠离子电池将越来越具有成本效益，并有望在未来取代锂离子电池而被广泛应用。 1钠离子电池电化学原理 同为元素周期表第I主族的钠离子和锂离子的性质有许多相似之处，钠离子完全有可能和锂离子电池一样构造一种广泛使用的二次电池。并且钠离子电池与锂离子电池相比，原材料成本比锂离子电池低，半电池电位(E0Na+/Na=E0Li+/Li+0.3)比锂离子电池高，适合采用分解电压更低的电解液，因而安全性能更佳。钠离子电池不以钠作为负极，而是由硬碳或嵌入化合物组成。
（1）钠离子电池优点：依据目前的研究进展，钠离子电池与锂离子电池相比有3个突出优势：①原料资源丰富，成本低廉，分布广泛；②钠离子电池的半电池电势较锂离子电势高0.3～0.4 V，即能利用分解电势更低的电解质溶剂及电解质盐，电解质的选择范围更宽； ③钠离子电池有相对稳定的电化学性能，使用更加安全。 （2）钠离子电池缺陷：钠离子电池也存在着缺陷，如钠元素的相对原子质量比锂高很多，导致理论比容量小，不足锂的1/2；钠离子半径比锂离子半径大(Na+半径：95pm，Li+半径：60pm)，使得钠离子在电池材料中嵌入与脱出更难。下图为钠离子电池的电极材料：
锂离子电池碳负极材料研究进展
锂离子电池碳负极材料的研究进展 赵永胜 （河北工业大学化工学院应用化学系，天津 300130） 摘要综述了锂离子电池碳负极材料中石墨化碳、无定形碳和碳纳米材料近几年的研究成果及发展方向，探讨了该类材料目前存在的问题及解决办法，对该类材料的发展趋势进行了展望。 关键词锂离子电池负极材料碳材料 Research progress of carbon anode materials for lithium ion batteries Zhao Yongsheng （Department of Applied Chemistry，School of Chemical Engineering and Technology，Hebei University of Technology，Tianjin 300130）Abstract：The research achievements on three main aspects in the field of lithium ion battery carbon anode materials in recent years. Graphitized carbon,amorphous carbon,carbon nano-materials are summarized. The problems in these materials and the feasible methods to solve the problems are discussed. Finally, the developing trend of lithium ion battery carbon anode materials is prospected. Keywords：Lithium ion batteries；anode materials；carbon materials 自1991年日本索尼公司开发成功以碳材料为负极的锂离子电池（LixC6/LiX In PC-EC（1:1）/Li1-x CoO2）以来（LiX为锂盐），锂离子电池已迅速向产业化发展，并在移动电话、摄像机、笔记本电脑、便携式电器上大量应用[1]。自锂离子电池的商品化以来，研究的负极材料有以下几种：石墨化碳材料、无定向碳材料、氮化物、硅基材料、锡基材料、新型合金[2]。本文着重对锂离子电池碳负极材料方面的研究进展进行评述。 1.碳基负极材料的分类 炭素材料的种类繁多，其结晶形式有金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管等，
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/32913880.html,/journal/ms https://https://www.360docs.net/doc/32913880.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。
锂离子电池的组成部分之负极(非常详细)
锂离子电池的组成部分之负极（非常详细） 2、负极（1） 此主题相关图片如下： 2、负极（2） 在负极材料部分，锂电池的负极材料主要是： A、石墨系碳（graphite） a、天然石墨 b、人工石墨 c、类石墨（如 MCMB , Meso Carbon Micro Beads） B、非石墨碳材（如焦碳系，coke） 由于石墨系的重量能量密度较高且材料本身的结构具有较高的规则性，所以第一次放电的不可逆电容量会较低，另外石墨系负极材料具有平稳工作电压作用，对电子产品的使用和充电器的设计较具优势。而另一种类的焦炭系与碳黑系﹝carbon black﹞的负极材料在第一次充放电反应的不可逆电容量很高，但是此材料可以在较高的C- rate下作充放电，另外此材料的放电曲线较斜，有利于使用电压来监控电池容量的消耗。 负极（3） 石墨为层状结构，由碳网平面沿C轴堆积而成，层间距为3.36A。平面碳层由碳原子呈六角形排列并向二维方向延伸，碳层间以弱的范德华力结合，锂嵌在碳层之间 石墨的实际比容量为320—340mAh/g。平均嵌锂电位约为0.1V（VS Li+/Li），第一周充放电效率约为8 2—84%，循环性能好，且价格低廉（＜10元/Kg）。 A、石墨类的制备 ①中间相碳微球（Mesophase Carbon Micro Beads, MCMB）是用煤焦油沥青、石油重质油等在350—5
00℃温度下加热并经分离、洗涤、干燥和分级等过程制得的平均粒径6-10微米的碳微球，然后于28000C 下进行石墨化热处理制得的碳材料。其外形呈球形，晶体结构同石墨基本一致。 MCMB的实际比容量约为310—330mAh/g，平均嵌锂电位约为0.15V（VS Li+/Li），第一周充放电效率约为88%—90%，循环性及大电流性能好，是目前为止最为理想的负极材料，但价格昂贵（约300元/Kg） 负极（4） A、石墨类的制备 ②气相成长碳纤（Vapor-Grown Carbon Fiber, VGCF） 以碳氢化合物经化学蒸镀（CVD）反应，再用不同温度经热处理而成 负极（5） B、非石墨类的制备 ①可石墨化碳类 ---- 软碳主要为焦碳﹝Coke﹞类，可由沥青或煤渣而来 2、负极（6） B、非石墨类的制备 ②不可石墨化类 ---- 硬碳（最具发展潜力） 硬碳不易石墨化。是一种与石墨不同的近似非晶结构的碳材料，晶体尺寸较小，通常在几个纳米以下，呈无规则排列，有细微空隙存在，是利用高分子先驱物（polymer precursor），在不同温度下经热解所形成的无次序碳材而得到。其主要特点：嵌锂容量高，一般可达600mAh/g以上。问题： A、第一周充放电效率低，一般不超过60% B、循环性能差 此主题相关图片如下： 负极（7）-锡基金属间化合物及复合物、锡基复合氧化物 Sn与Li能可逆地形成组成为Li4.4Sn的合金，七十年代开始就引起了人们的广泛关注。由于Sn贮锂—脱锂过程体积膨胀超过200%，极易引起电极粉化，导致循环性能迅速衰减。如何稳定材料结构，防止电极 粉化是一直以来研究的重点。 近年来，人们发现将Sn均匀的分布在对锂惰性的金属或化合物、复合物中，可较好地缓冲电极的膨胀， 抑制电极粉化问题，从而获得比较好的循环性能。
锂离子电池硅基负极材料研究进展
万方数据
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锂离子电池硅基负极材料研究进展 作者：崔清伟， 李建军， 戴仲葭， 连芳， 何向明， 田光宇， Cui Qingwei， Li Jianjun， Dai Zhongjia，Lian Fang， He Xiangming， Tian Guangyu 作者单位：崔清伟,Cui Qingwei(北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083;清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084)， 李建军,戴仲葭,Li Jianjun,Dai Zhongjia(清华大学核能与新能源技术研究院,北京,100084) ， 连芳,Lian Fang(北京科技大学材料科学与工程学院,北京,100083)， 何向明,He Xiangming(清华大学核 能与新能源技术研究院,北京100084;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084)， 田光宇,Tian Guangyu(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京,100084) 刊名： 化工新型材料 英文刊名：New Chemical Materials 年，卷(期)：2013,41(6) 被引用次数：7次 参考文献(20条) 1.庄全超,武山,刘文元,陆兆达锂离子电池材料研究进展[期刊论文]-电池 2003(2) 2.周恒辉,慈云祥,刘昌炎锂离子电池电极材料研究进展[期刊论文]-化学进展 1998(1) https://www.360docs.net/doc/32913880.html,z A;Huggins R A查看详情 2004 4.Huggins R A查看详情 1999 5.Lee K L;Jung J Y;Lee S W查看详情 2004 6.Cui L F;Ruffo R;Chan C K查看详情 2009(01) 7.Lv R;Yang J;Gao P查看详情 2009 8.Song, T.;Xia, J.;Lee, J.-H.;Lee, D.H.;Kwon, M.-S.;Choi, J.-M.;Wu, J.;Doo, S.K.;Chang, H.;Park, W.I.;Zang, D.S.;Kim, H.;Huang, Y.;Hwang, K.-C.;Rogers, J.A.;Paik, U.Arrays of sealed silicon nanotubes as anodes for lithium ion batteries[外文期刊] 2010(5) 9.Du C Y;Gao C H;Yin G P查看详情 2011 10.赵吉诗,何向明,万春荣,姜长印锂离子电池硅基负极材料研究进展[期刊论文]-稀有金属材料与工程 2007(8) 11.Wen Z S;Cheng M K;Sun J C查看详情 2010 12.Cui, L.-F.;Hu, L.;Choi, J.W.;Cui, Y.Light-weight free-standing carbon nanotube-silicon films for anodes of lithium ion batteries[外文期刊] 2010(7) 13.杜萍,高俊奎锂离子电池Si基负极研究进展[期刊论文]-电源技术 2010(4) 14.Wang X Y;Wen Z Y;Liu Y查看详情 2011 15.Chen H X;Xiao Y;Wang L查看详情 2011(16) 16.Kasavajjula U;Wang C;Appleby A J查看详情 2007 17.黄可龙;王兆翔;刘素琴锂离子电池原理与关键技术 2007 18.See-How Ng;Jiazhao Wang查看详情 2006 19.Si Q;Hanai K;Ichikawa T查看详情 2010 20.Zhou Z B;Xu Y H;Hojamberdiev M查看详情 2010 引证文献(2条) 1.刘云海,吴智鑫,姬超,闫腊梅,高虹锂离子电池Si-Ni负极材料的制备研究[期刊论文]-节能 2014(04) 2.陈雪芳,黄英,黄海舰,王科锂离子电池用硅负极材料的研究进展[期刊论文]-中国科技论文 2014(9) 引用本文格式：崔清伟.李建军.戴仲葭.连芳.何向明.田光宇.Cui Qingwei.Li Jianjun.Dai Zhongjia.Lian Fang.He Xiangming. Tian Guangyu锂离子电池硅基负极材料研究进展[期刊论文]-化工新型材料 2013(6)
动力锂离子电池及其负极材料的现状和发展
动力锂离子电池及其负极材料的现状和发展 2010-11-10 14:45:06 中国石墨碳素网 文/苗艳丽杨红强岳敏 天津市贝特瑞新能源材料有限责任公司 随着汽车行业的发展，石油、天然气等不可再生石化燃料的耗竭日益受到关注，空气污染和室温效应也成为全球性的问题。为解决能源问题、实现低碳经济，基于目前能源技术的发展水平，电动汽车技术逐渐成为全球经济发展的重点方向，美国、日本、德国、中国等国家相继限制燃油车使用，大力发展电动车。作为电动汽车的核心部件——动力电池也迎来了大好的发展机遇。动力电池是指应用于电动车的电池，包括锂离子电池、铅酸电池、燃料电池等，其中，锂离子电池因具有比能量高、比功率大、自放电少、使用寿命长及安全性好等特性，成为目前各国发展的重点。 国外政府及企业在动力锂离子电池研发上均做出了很大的努力。我国的锂离子电池产业起步虽较晚，但发展速度非常快，同时，政府给予了大力的支持。“十一五”期间，“863”电动汽车重大专项对混合动力（HEV）、外接充电式混合动力（PHEV）用锂离子电池关键材料和电池进行了专门的研究。 与锂离子电池其他部件相比，锂离子电池负极材料的发展较为成熟。在商业应用中，石墨类碳材料技术较为成熟，市场价格也比较稳定，但随着锂离子动力电池对能量密度、功率密度、安全等性能的要求不断提升，硬碳、钛酸锂（Li4Ti5O12）、合金等其他材料也相继成为研究热门。 一、动力锂离子电池负极材料简介 1.动力锂离子电池负极材料特性 锂离子电池由正极、负极、电解液、隔膜和其他附属材料组成。锂离子电池负极材料要求具备以下的特点：①尽可能低的电极电位；②离子在负极固态结构中有较高的扩散率；③高度的脱嵌可逆性；④良好的电导率及热力学稳定性；⑤安全性能好；⑥与电解质溶剂相容性好；⑦资源丰富、价格低廉；⑧安全、无污染。 2.动力锂离子电池负极材料主要类型 早期人们曾用金属锂作为负极材料，但由于存在安全问题没有大规模商业应用。目前，对锂离子电池负极材料的研究较多有：碳材料、硅基材料、锡基材料、钛酸锂、过渡金属氧化物等。本文将主要介绍3类负极材料：碳材料、合金材料（锡（Sn）、硅（Si）等）和钛酸锂。 （1）碳材料 碳材料是人们最早开始研究并应用于锂离子电池生产的负极材料，至今仍然为大家关注和研究的重点。碳材料根据其结构特性可分成3类：石墨、易石墨化碳及难石墨化碳（也就是通常所说的软碳和硬碳）。软碳主要有中间相炭微球、石油焦、针状焦、碳纤维等；硬碳主要有树脂碳(如酚醛树脂、环氧树脂、聚糠醇PFA-C 等)，有机聚合物热解碳(包括聚乙烯醇基、聚氯乙烯基、聚丙烯腈基等)以及碳黑等。由于软碳与石墨的结晶性比较类似，一般认为它比硬碳更容易插入锂，即更容易充电，安全性也更好些。 石墨类碳材料技术比较成熟，在安全和循环寿命方面性能突出，并且廉价、无毒，是较为常见的负极材料。常规锂离子电池负极材料包括天然石墨、天然石墨改性材料、中间相炭微球和石油焦类人造石墨。天然石墨和天然石墨改性材料价格比较低，但是在充放电效率和使用寿命方面有待进一步提高。中间相炭微球结构特殊，呈球形片层结构且表面光滑，直径在5～40μm之间，该材料独特的形貌使其在比容电量（可达到330mAh/g以上）、安全性、放电效率、循环寿命（循环次数达到2000次以上）等方面具有显著优势，但是成本有待降低。石油焦类的产品在放电效率和循环寿命方面比较突出，但存在着高成本和制备工艺复杂的问题。 近年来，随着研究工作的不断深入，研究者发现通过对石墨和各类碳材料进行表面改性和结构调整，或使石墨部分无序化，或在各类碳材料中形成纳米级的孔、洞和通道等结构，有利于锂在其中的嵌入－脱