全固态薄膜锂离子电池负极和电解质材料

全固态薄膜锂离子电池负极和电解质材料
全固态薄膜锂离子电池负极和电解质材料

全固态薄膜锂离子电池负极和电解质材料的研究进展*

曹乾涛,吴孟强,张树人

(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都610054)

摘要全固态薄膜锂离子电池是锂离子电池的最新研究领域,薄膜化的负极、电解质材料是全固态薄膜锂离子电池的重要组成部分。主要对碳基材料、锡基材料、硅基材料、合金等全固态薄膜锂离子电池负极材料和电解质薄膜材料近几年来的研究状况进行了综述,并展望了其发展趋势。

关键词全固态锂离子电池负极材料电解质材料薄膜

ResearchProgressinAnodesandElectrolytesforAll?。solid-。state

,nlinFilmLi-ionBatteries

CAOQiantao,WUMengqiang,ZHANGShuren

(StateKeyLaboratoryofElectronicThinFilmsandIntegratedDevices,UniversityofElectronicScienceand

TechnologyofChina,Chengdu610054)

AbstractAlbsolid-statethinfilmlithitma-ionbatterieshavebecomethenewestfiledinthedevelopmemoflithiurwionbatteries.Thinfilmanodesandelectrolyteshavebeenthereforetheimportantparts.Therecentresearchprogressin

theelectml”ematerialsandthethinfilmanodematerialsincludingcarbon-based,tin-based,silicon-hasedmaterialsandalloysisreviewed,andtheprospectsarealsopresentedinthispaper.

Keywordsall-solid-state,tithimn-ionbatteries,anodematerials,electrolytematerials,thinfilms

0引言

全固态薄膜锂离子电池拥有较当前锂离子二次电池更小的尺寸、更高的能量密度、更长的循环寿命及更高的可靠性,目前在低电流元件的应用上备受青睐,将成为锂离子电池发展领域的一朵奇葩。全固态薄膜锂离子电池能否成功应用除了具有高性能薄膜正极之外,还在于可逆嵌/脱锂离子的薄膜负极材料及电解质层的高性能实现。本文将对当前受到普遍关注的薄膜负极材料及电解质层的研究发展状况进行综合评述。

1锂离子电池薄膜负极材料的研究

最早用作薄膜锂离子电池负极的是金属锂箔。由于锂的熔点较低(180℃),温度超过250℃时会因负极熔化而使锂离子电池遭到毁灭性的破坏。另外,金属锂十分活泼,容易与空气中的氧气和水蒸气等发生反应,从而对制备锂薄膜的设备及环境条件要求较高。所以,寻找具有较高熔点和较低反应活性的新型无机材料替代金属锂和发展低成本、简易、适用的薄膜制备工艺,将成为全固态薄膜锂离子电池领域的重要课题。

1.1碳基材料

用作锂离子电池负极的碳基材料以石墨化碳为主。这类碳基材料的导电性能好,并具有良好的层状结构,适合于锂离子的嵌入和脱嵌,具有良好的电压平台,充放电效率在90%以上,因此碳基材料可以替代金属锂而被用作薄膜锂离子电池的负极材料。Abe等[1]利用等离子体辅助化学气相沉积法(PACVD)直接制备出了表面平整、致密且高度石墨化的碳薄膜。在1.0~0.5V电压范围内,循环伏安曲线上显示首次循环时出现的还原电流峰,但在后续的循环中还原电流峰消失。碳材料中可以引入非金属、金属元素进行掺杂改性。如Li等[2]用金属银和石墨作靶材,通过直流磁控溅射法制备了Ago.as岛ss薄膜负极材料。该薄膜在起初的几次循环中容量衰减很快,但接下来明显好转,呈现出良好的电化学循环特性,这应当归因于Ag的良好导电性和Ago.。sCo.es薄膜的结构稳定性。石墨化碳负极材料最大的不足是理论容量不高,其理论比容量仅为372mAh/g,目前的实际应用已几乎接近此理论极限,仍不能满足人们对锂离子电池比能量逐步增长的需求,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。

1.2锡基材料

锡、锡的氧化物、复合氧化物、氮化物与氮氧化物等锡基材料均可以用作锂离子电池负极材料。

与石墨化碳材料相比,锡最大的优点是具有非常高的质量比容量和体积比容量,分别达994mAh/g和7254mAh/cm3。锡材料的不足是:在嵌锂时会发生体积膨胀,循环中电极容量衰减严重。Inaba等[3]用电镀法制备了sn负极薄膜。恒流充放电循环实验结果表明,300mAh/g的大容量损失出现在第二、三循环中,另外,经过AFM跟踪观察发现,在Sn-Li合金化和去合金化过程中sn薄膜的表面形貌发生了显著变化,这可能是Sn-Li合金薄膜出现了较大不可逆容量的原因。

锡的氧化物包括SnO、sn02及其混合物。它们用作锂离子

*四川省青年基金(JS0303001)资助项目

曹乾涛:男,1981年生,硕士研究生,主要从事储能材料与器件的研究Tel:028—83207920E-mail:eaoqianta00220201@163.tom万方数据

电池负极具有比容量高、放电电位较低(在0.4~0.6VVSLi/Li+附近)等优点,但它具有首次循环时的不可逆容量损失大、容量衰减较快、放电电位曲线不平稳等缺点。SnO/SnOz薄膜的电化学性能会因制备方法的不同而异。Mohamedi等[1]用静电喷雾沉积(ESD)技术制备了无定形Sn02薄膜。该薄膜以0.2mA/cm2的电流密度在0.05~2.5V下循环,首次循环时表现出高于1300mAh/g的比容量,其后比容量衰减很快;在0~1.0V电压范围内以600mAh/g的可逆比容量循环时,循环次数超过了100次。Nuli等[5]通过真空热蒸发金属锡,并经过空气或氧气气氛中的热氧化制备了具有纳米晶结构的SnO=薄膜。以10pA/ClTl2的电流密度在0.1~1.3V电压范围内充放电,SnO和sn02薄膜电极的可逆比容量分别可以达到825mAh/g和760mAh/g。

在Sn02或SnO中引入一些非金属或金属元素,如si[6]、SbE7]等并经热处理,可以得到锡基复合氧化物(TCO)。与锡的氧化物(SnO/Sn02)相比,锡基复合氧化物的循环寿命有了较大提高。Kim等[6]用电子束蒸发技术在Mo/Si衬底上分别制备了掺si的sn02薄膜和纯Sn02薄膜,这两种薄膜电极在0.1~0.8V之间循环,均显示了较高的可逆比容量(Si-Sn02薄膜最高达320pAh/crn2?/zm,Sr她薄膜最高达200/1Ah/cm2?卿)和较长的循环寿命。通过微结构分析可以发现,Li-si—O网状结构中,si起到了抑制sn粒径长大、减小表面粗糙度、增强薄膜粘附性等作用。Santos—Pena等口]采用Sol-gel法制备了掺sb的均匀致密的Sn02薄膜。研究发现,sb的掺入使薄膜颗粒尺寸和电阻明显减小,显著提高了SnOz薄膜电极的性能,如掺杂5%sb的sn02薄膜电极,经75次循环后比容量不低于250mAh/g。人们也尝试通过溅射复合靶材来制备TCO薄膜。Branci等[8]通过磁控溅射Sn/(SnO)(岛03)n3(P205)ot2复合靶材制备了TC0薄膜。电化学测试表明,所获得的非晶态TCO薄膜电极具有较好的可逆嵌锂和脱锂特性。Sarradin等凹]贝0通过射频溅射Sn/SnBo.sPo.t魄。复合靶材制备了Tc0薄膜。研究发现,该薄膜的电化学特性与作为集流体的基底金属表层特性有关,沉积在Au表层且含锡量很高的半结晶态薄膜用作负极时比容量达550mAh/g.

锡的氮化物与氮氧化物用作薄膜锂离子电池负极材料的研究也有报道。Park等[10]采用射频磁控溅射法在不同温度(25~300℃)下制备了snM薄膜。通过电化学性能循环测试分析,他们认为SnNz薄膜的电化学性能与锡的氧化物非常相似。Neudecker等[11]采用射频磁控溅射法沉积了硅锡氮氧化物(SiTON)非晶薄膜,并成功组装了SiTON/LiPON/LiC002薄膜锂离子电池。该薄膜锂离子电池能在空气中250℃的温度下加热长达1h而仍呈现良好的性能,这使它完全可以满足电路组装所需的焊接回流条件,而且经过高温老化处理有利于提高电池的稳定性。同时发现,在合适的电压范围(1.2~oV之间)内,该薄膜电池在室温以10mA/cm2的电流密度放电能够表现出很高的可逆比容量,而且电池的比容量衰减非常小。

1.3硅基材料

硅材料被认为是具有比碳高近10倍理论比容量(高达4000mAh/g),与碳材料的嵌锂电位相当,并具有良好热、化学稳定性,很有前途的锂离子电池薄膜负极材料。然而,限制si基材料发展的一个瓶颈是,在持续的锂嵌入和脱出过程中出现的较大晶格膨胀和微观结构的变化导致其循环寿命较短。为了满

足薄膜锂离子电池的需要,研究者采用不同的薄膜制备技术实现了Si材料的薄膜化,在有效缓解较大的体积膨胀方面取得了一定效果。Jung等[121以sizH6作为原料采用低压化学气相沉积法(U)CVD)制备的a-Si无定形薄膜负极,可逆比容量最高达4000mAh/g,然而不足的是,40次循环后容量衰减很快。当比容量减少到400mAh/g再循环时,循环能力可以达到1500次。他们制备的Si/LiMn2o‘薄膜锂离子电池,在3.0"-3.8V的放电电压范围内,循环能力可达400次。Ohara等[13]以n型硅源用真空沉积法在30vjn厚的Ni箔上制备了si薄膜,并研究了Si薄膜比容量、循环性能与膜厚、放电倍率(1C、2C、10C、12C)的关系,研究发现其容量随膜厚的增加而降低。500A厚的si薄膜以2C放电,200次循环后仍能保持高于3500mAh/g的比容量;而1500A厚的薄膜以1C放电,循环200次后,比容量却锐减为2200mAh/g。PLD法有利于提高s.薄膜的密度和粘附性。ParkE“1和Xiarl5]分别用PLD法直接在不锈钢集流体上沉积了Si薄膜。Park等[1们制备的si薄膜厚度大于1“m,在0.005~1.5V之间,前70次循环表现出非常好的稳定性;Xia等[15]制备的120rim厚的无定形si薄膜,在0.01~1.5V之间有稳定的循环特性,50次循环平均每次比容量衰减0.2%。近来,Deng等[16]研究发现,si薄膜与衬底的粘附性差是导致si薄膜循环性能下降的重要原因之一。他们采用等离子体浸没离子注入技术(PIII)处理Cu箔,并采用注入元素La来提高Si薄膜和Cu衬底的粘附性,以此增强锂离子电池的循环特性。研究结果表明,采用此法制得的si薄膜作锂离子电池负极,在100/-A电流下循环16次后,充放电效率仍接近100%。

1.4合金材料

为了解决碳基负极材料容量较低的问题,人们把目标投向高容量的金属基材料。除了前面介绍的锡基、硅基材料等,还包括接下来将要介绍的Al、Ag、Au等金属。研究发现,这些金属负极材料在充、放电过程中,由于锂离子的嵌入和脱出产生较大体积膨胀和收缩,电极结构会遭受破坏而失效。为了提高这些金属电极的循环性能,研究最多的是通过引入惰性元素(非嵌锂金属)形成合金材料,尽管这些合金材料的嵌锂容量可能稍有降低,但其循环稳定性得到了明显改善。

1.4.1锂基合金材料

金属与锂的全部或部分合金化薄膜组成了多相系统,这个多相系统能够有效减少循环过程中带来的机械压力和体积膨胀。而且,体积充电密度大是锂合金薄膜负极材料的一个突出

优点。这些足以使锂合金材料取代锂和石墨化碳而作为薄膜锂离子电池的负极材料。金属AlE”]及一些稀有金属如鲥18]、Au[19]等嵌入锂时,将会形成含锂量很高的锂一金属合金。Hamon等[17]通过热蒸发技术制备了0.1~lv_,n厚的Al薄膜来作为锂离子电池负极,比容量高达1000mAh/g。研究发现,大容量的获得很可能是形成了无定形Li-舢合金的缘故。Tai卜lades等[18]采用射频溅射法制备的Ag薄膜电极,在0.25~0V非常低的电压范围内,根据峙Li合金薄膜成分的不同而显示不同的高容量值。在循环充放电过程中,该薄膜电极在0.05V处表现出非常平坦的低电压平台。Taillades等[19]在氩气气氛下采用射频溅射法制备了Au、Sn、Ag等金属薄膜,并通过XRD着重考察了不同电化学反应阶段Au与Li合金化和去合金化

万方数据

过程。研究发现,Au薄膜在一个非常狭窄的电位窗口下,以C/4放电循环20次,表现出高达3400mAh/cm3的可逆比容量。1.4.2锡基舍金材料

锡基合金主要是利用sn能与“形成高含Li量的Li22Sm合金,其理论容量很高。此外,加入另一种非活性且质软的金属M,当Li插入sn中时,由于M的可延性使合金体的体积变化大大减小。采用锡基合金材料作为薄膜锂离子电池的负极,既可以降低电极的不可逆容量,又能保持负极结构的稳定性。Lee等[20]采用射频磁控溅射法在室温下成功地将Sn、Sn-Cu、Sn-Zr(0)负极薄膜沉积于铜衬底上。研究发现,sn与Cu或Zr形成的合金负极薄膜提高了负极的循环性能,其中Sn-Zr合金薄膜的循环性能最优。Kim等[21]通过电子束加热技术制备了Sn-Zr合金薄膜和掺ag的Sn-Zr合金薄膜。研究发现,随着合金成分中zr含量的增加,Sn-Zr合金薄膜电极的循环稳定性增强;掺Ag的Sn-Zr合金薄膜S啦,Zr3。Agto则显示出更优异的循环稳定性和容量保持力。Mukaibo等[22]采用电镀方法制备了不同组分的Sn-Ni合金薄膜。研究发现,综合性能最佳的是Sm。Nhe,该薄膜在70次循环后,比容量仍高达650mAh/g。他们还进一步确认了Sll6zNi。8薄膜的主相是NisSm,这是使S啦2Ni3s合金薄膜具有高容量和长寿命的关键。Bonakdarpour等[23]采用直流射频磁控溅射法在不同生长条件下制备了Mo,一:Snx(o<z<1)合金薄膜,并初步应用于薄膜锂离子电池负极材料。Fu小组[2叼采用PLD法制备了高质量的MSn2(M=Cr、Co)薄膜,获得的CrSnz和CoSn2薄膜的可逆比容量分别为467mAh/g和465mAh/g。Ke等[25]通过一种胶状液晶模板法在涂有Ni的Cu薄衬底上制备了大孔结构的Sn-Co合金薄膜,该薄膜电极在前75次循环过程中可逆比容量达610mAh/g。研究还发现,除了前面提及的“合金效应”外,大孔的薄膜结构对克服sn基合金充放电循环过程中的体积膨胀效应也起到了很大作用。1.4.3硅基合金材料

在硅基合金中,研究较多的是Si-Co[26]、Si-Zr(一Ag)[97,28]、si一Ⅵ刎等合金薄膜。Kim等[捌通过纯Co、si源用电子束蒸发技术制备了接近化学计量比的CoSiz.06和CoSi&2薄膜。与Co—Si2相比,这两种薄膜材料因富含si而显示很大的储锂能力,并表现出优异的循环稳定性。Lee等[27]采用双靶协同溅射技术在Cu衬底上溅射zr和Si靶制备了Zr-Si薄膜。将zr引入si薄膜提高了薄膜的循环特性,但遗憾的是伴随有容量的衰减。研究发现,对确定化学成分的Zr-si合金薄膜而言,可以通过控制沉积条件,如衬底温度和偏压来提高循环特性。为了提高Zr-Si薄膜的电化学特性,Lee掣2胡用Ag部分取代zr,制备了si-zr-Ag薄膜。与Zr-Si薄膜相比,该薄膜的可逆容量显著提高,这应归因于Zr-Ag键的形成诱导产生了高度分散的游离si相,以及Ag的合金化导致电阻降低。Lee等口盯采用射频磁控溅射法制备了新型的Sk,V&。合金薄膜,并成功组装了Sk,V0.s/Li,.,一ShzsP1.001.1N1.o/LiC002薄膜锂离子电池。该电池工作电压为3~3.5V,而且在2~3.9V电压之间具有优异的循环稳定性。由此可以预见,si.V薄膜将是未来理想的薄膜锂离子电池负极材料。

此外,人们还研究了其它一些合金薄膜负极材料,如CbSb3合金薄膜咖3等。1.5其它负极材料

氮化物用于锂离子电池的研究主要源于Li3N具有高的离

子导电性。Sun等[31]首次采用射频溅射法制备了CrN薄膜,其可逆放电比容量高达1200mAh/g。也有人对铁酸盐作为负极材料进行了研究。Nuli等[323采用电化学方法制备了无裂纹和无气孔的纳米晶铁酸盐MFe204(M=Cu、Ni、Co)薄膜,XRD分

析显示它们分别是尖晶石四角形结构的CuFe204、立方结构的

NiFez0‘和CoFe204多晶,粒径平均尺寸为50nm。该M.Fe204薄膜电极以lo越/ClTl2的电流密度、在0.01~3.0V的电压范围下放电,循环初期可逆比容量为450~460mAh/g,100次循环后比容量的损失率低于25%。钒复合氧化物因其良好的嵌锂性能,一直受到人们的关注,其中LiNivol报道较多。LiNiv(1薄膜通常用射频磁控溅射法制得。Reddy等m]研究发现,当溅射功率为30W、靶材与衬底间距为8cm、02分压是总压的1%时,制备的Li,.zNiVO,有较好的电化学性能,3次循环后比容量稳定高达1000mAh/g。最近,Fu小组阻矗5]采用PLD法分别制备了纳米晶Sb2Q和a-MnSe薄膜负极材料。实验结果表明,纳米晶Sb203薄膜电极具有8.6倍Li(每单位Sb203薄膜)的可逆比容量和优异的循环特性;a-MnSe薄膜在120次循环中,放电可逆比容量在361~472mAh/g之间。

2锂离子电池薄膜电解质材料的研究

用于全固态薄膜锂离子电池的电解质薄膜分为聚合物电解质薄膜和无机电解质薄膜。我们这里主要讨论无机电解质薄膜。无机电饵质薄膜要求具有较高的离子电导率(大于10-7s/cm)、低的电子电导率(小于10_10S/cm)和宽的电化学窗口(大于5V)等性能,目前能同时满足该要求的电解质并不多见。

Li2D&03氧化物玻璃体系是最早研究的Li+导体,但离子电导率偏低。采取往体系中加入硫酸锂的措施来合成固体电解质薄膜,可以有效提高该类氧化物玻璃的电导率。Joo等[36]通过射频磁控溅射法制备了1~2肿厚的无定形固体电解质薄膜(1--x)LiBCh-xLhS04(z—o.4~O.8)。室温下,其电导率随着z的增大而增大,当x----0.7时达到最大值2.5×10-6S/cm;z>0.7时,随着电解质薄膜的部分结晶化,电导率开始下降。另外,该电解质薄膜能在高达5.8V(vs.Li/Li+)电压下保持稳定。此外,对Li208203一P205三元体系研究较多。Cho等[37]在室温下用熔融淬火方法制备了0.45LhO-o.2758203—0.275P205固态电解质薄膜,其离子电导率最大为1.6X10~S/crn。他们还采用气溶胶火焰热解沉积法制备了无机玻璃电解质LizoB203一P2Q薄膜,室温下离子电导率最大为10~S/cm[3S]。

其它三元氧化物体系电解质薄膜也在研究之中。Kuwata等[39]采用PLD法制备了光滑致密、无气孔的Li2Dv2Q—Si02(LVSO)薄膜,其化学成分为魄zⅥst瓯惦q。,测得其室温下的离子电导率为2.5×10~S/CITI。此外,他们也采用PLD法制备了LiC002正极薄膜和SnO负极薄膜,并成功组装了Sn0/L,v—S0/LiC002全固态薄膜锂离子电池。Zhao等[伽采用PLD法在02气氛下制备了Li2C03一v2Q—S醯(LVSO)电解质薄膜。研究发现,薄膜特性与衬底温度有很大关系,在衬底温度为300℃时可得到致密光滑、无气孔、无裂纹的薄膜,其室温离子电导率为3.98×10~S/tITl。

自从美国OakRidge国家实验室的Bates等[1I]采用射频磁

万方数据

控溅射法首次制备出Lia.3P03.9No.17(LiPON)薄膜以来,LiPoN薄膜以优异的电化学性能引起人们的极大关注,在薄膜电解质领域掀起了研究制备LiPON薄膜的热潮。Vereda等[42]报道了采用热蒸发与离子束辅助(IBDA)相结合的方法制备LiPON薄膜,但沉积的LiPON薄膜从300℃降至室温时容易出现裂缝而会导致短路现象发生。Zhao等[43]采用PLD法在Nz气氛下制备了LiPON电解质薄膜,25℃时离子电导率达1.6×10叫S/LTfl,且其离子电导活化能为0.58eV。刘文元等[44]采用电子束热蒸发LisP04与氮等离子体辅助相结合的方法制备了LiPON电解质薄膜,测得该非晶态电解质薄膜在300K时的离子电导率为6.O×10一S/CITI,电子电导率低于10-10S/咖,电化学稳定窗/:1为5.0V。Hamon等[45]在纯N2气氛下溅射璐P04靶材制备了LiPON薄膜,其离子电导率最大为1.8×lo—S/crtl,离子电导活化能为0.43eV。LiPON薄膜以离子电导率高、热力学稳定性好和电化学窗口宽等优点而成为当前全固态薄膜锂离子电池研究中电解质薄膜材料的最佳选择。

然而,由于LiPON薄膜对空气中的水蒸气和氧气敏感,人们正努力寻找性能与LiPON薄膜相当,且更稳定的一些新型固态电解质。Lee等[46]在氮气反应等离子体中溅射(1~z)Li3P04?xLi2SiOs靶材制备了LiSiPON电解质薄膜,其离子电导活化能随着Si/P比值的增大而减小,这导致了离子电导率的增大,该电解质薄膜离子电导率可达1.24×10-5S/吼,最高承受电压为5.5V。Ahn等[47]采用PLD法制备了400rim厚的非晶态(Lio.。‰。)Ti03(LLl的)电解质薄膜,其室温离子电导率约为1.1×10—S/Cl-n,但随着退火温度的升高,离子电导率略有降低。Li等[鸲]则采用电子束蒸发方法制备了非晶态LLTO电解质薄膜。用600W的电子束所沉积的LLTO薄膜的离子电导率最大达1.8×10一S/crn,离子电导活化能为0.32eV,电化学稳定窗口在3~4.4V之间。

3结束语

随着全固态薄膜锂离子电池的需求加快,负极薄膜材料和电解质薄膜材料作为其中的重要组成部分,日益引起科研工作者的广泛关注。研究新型高性能的负极和电解质薄膜材料及研制环保、低成本、简化的薄膜制备工艺将是未来发展的重要研究方向。我们有理由相信,随着全固态薄膜锂离子电池研究与应用的不断深入,其实用化进程必将有力推进新能源与电子系统的技术革新。

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万方数据

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

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/6c4940154.html,ki.issn1001-1625.2015.04.018

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/6c4940154.html,/journal/ms https://https://www.360docs.net/doc/6c4940154.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

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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/6c4940154.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

锂离子电池负极材料发展历程

锂电池是一类由锂金属或锂合金为正极材料、使用非水电解质溶液的电池。优点:绿色环保,不论生产、使用和报废,不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。 电池原理: 组成材料主要包括:负极材料、正极材料和隔膜。 在充放电过程中,锂离子在正负极之间来回运动。充电时,锂离子从正极脱出,经过隔膜嵌入到负极中。放电时,锂离子再从负极中脱出,重新回到正极。由此可以看出锂电池的正、负极材料都要有良好的嵌入、脱出锂离子的能力。一般来说,锂离子电池的总比容量是由正极材料的比容量、负极材料的比容量及电池的其它组分决定的,因此,我们迫切需要提高正负极材料的比容量。 负极材料: 碳材料:商业化锂电池负极材料一般为碳作为基质的材料,包括石墨、中间相碳微球、碳纳米管等。虽然碳材料作为锂离子电池负极具有较好的循环性能,但已基本达到其理论极限容量(石墨理论比容量为372mAh/g),限制了电池的性能。另外实际应用中也暴露出碳负极存在许多缺陷:在快速充电或低温充电易发生“析锂”现象引发安全隐患;有机电解液中会形成钝化层,引起初始容量损失;这些因素直接制约了锂离子电池的进一步发展。因此,高能动力型锂离子电池的发展需要寻求高容量、长寿命、安全可靠的新型负极来取代碳负极材料。 其中锡基负极材料具有质量与体积比能量高,价格便宜,无毒副作用,加工合成相对容易等优点,因此一经提出就受到研究者的广泛关注。 研究表明,当负极材料的比容量在1000~1200 mAh/g时可以显著提高锂离子电池的总比容量。在各种非碳负极材料中,硅的理论比容量为4200mAh/g,具有明显的优势,因此吸引了越来越多研究者的目光。 硅-非金属体系:在此复合体系中,硅颗粒作为活性物质,提供储锂容量;非金属相作为分散基体,缓冲硅颗粒嵌脱锂时的体积变化,保持电极结构的稳定性,并维持电极内部电接触。目前主要有硅-碳复合体系、硅-玻璃/陶瓷体系、硅的氧化物、金属氮化物等体系。其中,碳类负极材料具有良好的导电性,在充放电过程中体积变化很小,循环稳定性能好。与硅结合可以很好的改善硅的体积膨胀,提高其电化学稳定性。因此,硅-碳复合材料成为当前负极材料的研究的热点。

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

锂离子电池中的硅基负极材料

锂离子电池中的硅基负极材料 一.2017锂电池5大趋势前瞻 ①政策扶持及监管趋稳,行业准入门槛抬升; ②动力电池产业淘汰加速,新格局将在2017年开始重塑; ③电池企业与整车厂合作将不断升级; ④资本驱动力愈显,兼并购及IPO大潮延续; ⑤四大材料价格趋稳,新材料产业化应用加速; 二.硅材料在锂电池的应用 硅材料在锂离子电池中的应用,主要涉及两方面,一是在负极材料中加入纳米硅,形成硅碳负极,二是在电解液中加入有机硅化合物,改善电解液的性质。 (一)纳米硅:锂电负极材料的重要成员 纳米硅,指的是直径小于5纳米的晶体硅颗粒,是一种重要的非金属无定形材料。纳米硅粉具有纯度高、粒径小、分布均匀、比表面积大、高表面活性、松装密度低等特点,且无毒、无味。 纳米硅的应用领域广泛: ①与石墨材料组成硅碳复合材料,作为锂离子电池的负极材料,大幅提高锂离子电池的容量; ②用于制造耐高温涂层和耐火材料; ③与金刚石高压下混合形成碳化硅-金刚石复合材料,用做切削刀具; ④可与有机物反应,作为有机硅高分子材料的原料; ⑤金属硅通过提纯制取多晶硅; ⑥半导体微电子封装材料; ⑦金属表面处理。

(二)有机硅:锂电电解液的功能添加剂 有机硅,是一类人工合成的,结构上以硅原子和氧原子为主链的一种高分子聚合物。由于构成主链的硅-氧结构具有较强的化学键结,因此有机硅高聚物的分子比一般有机高聚物对热、氧稳定得多。有机硅独特的结构,使其兼备了无机材料与有机材料的性能,具有表面张力低、粘温系数小、压缩性高、气体渗透性高等基本性质,并具有耐高低温、电气绝缘、耐氧化稳定性、耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性,广泛应用于航空航天、电子电气、建筑、运输、化工、纺织、食品、轻工、医疗等行业,其中有机硅主要应用于密封、粘合、润滑、涂层、表面活性、脱模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。 尽管有机硅在室温下的力学性能与其它材料差异不大,但其在高温及低温下的物理、力学性能表现卓越,温度在-60到+250℃多次交变而其性能不受影响,故有机硅高聚物可在这个温度区域内长期使用,有些有机硅高聚物甚至能在低至-100℃下正常使用。 硅负极材料的缺点: 硅负极材料的缺点也相当明显,主要有两大缺点: ①硅在锂离子嵌入脱嵌过程中,会引起Si体积膨胀100%~300%,在材料内部产生较大的内应力,对材料结构造成破坏,电极材料在铜箔上脱落,同时硅表面的SEI膜不断重复形成-破裂-形成,共同降低了电极的导电性和循环稳定性; ②硅为半导体,导电性比石墨差很多,导致锂离子脱嵌过程中不可逆程度大,进一步降低了其首次库伦效率。因而,必须解决硅在充放电过程中产生的体积膨胀和首次充放电效率低的问题。 三.硅在锂电池应用中的失效

锂离子电池负极材料介绍及合成方法

锂离子电池负极材料介绍及合成方法 目前,锂离子电池所采用的负极材料一般都是碳素材料,如石墨、软碳(如焦炭等)、硬碳等。正在探索的负极材料有氮化物、PAS、锡基氧化物、锡基氧化物、锡合金,以及纳米负极材料等。作为锂离子电池负极材料要求具有以下性能:(1)锂离子在负极基体中的插入氧化还原电位尽可能低,接近金属锂的电位,从而使电池的输出电压高; (2)在基体中大量的锂能够发生可逆插入和脱插以得到高容量密度,即可逆的x值尽可能大; (3)在插入/脱插过程中,锂的插入和脱插应可逆且主体结构没有或很少发生变化,这样尽可能大; (4)氧化还原电位随x的变化应该尽可能少,这样电池的电压不会发生显著变化,可保持较平稳的充电和放电; (5)插入化合物应有较好的电导率和离子电导率,这样可减少极化并能进行大电流充放电; (6)主体材料具有良好的表面结构,能够与液体电解质形成良好的SEI 膜; (7)插入化合物在整个电压范围内具有良好的化学稳定性,在形成SEI 膜后不与电解质等发生反应; (8)锂离子在主体材料中有较大的扩散系数,便于快速充放电; (9)从实用角度而言,主体材料应该便宜,对环境无污染。 一、碳负极材料 碳负极锂离子电池在安全和循环寿命方面显示出较好的性能,并且碳材料价廉、无毒,目前商品锂离子电池广泛采用碳负极材料。近年来随着对碳材料研究工作的不断深入,已经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,锂在其中的嵌入-脱嵌不但可以按化学计量LiC6进行,而且还可以有非化学计量嵌入-脱嵌,其比容量大大增加,由LiC6的理论值372mAh/g提高到700mAh/g~1000mAh/g,因此而使锂离子电池的比能量大大增加。 目前,已研究开发的锂离子电池负极材料主要有:石墨、石油焦、碳纤维、热解炭、中间相沥青基炭微球(MCMB)、炭黑、玻璃炭等,其中石墨和石油焦最有应用价值。 石墨类碳材料的插锂特性是:(1)插锂电位低且平坦,可为锂离子电池提供高的、平稳的工作电压。大部分插锂容量分布在0.00~0.20V之间(vs. Li+/Li);(2)插锂容量高,LiC 6 的理论容量为372mAh.g-1;(3)与有机溶剂相容能力差,易发生溶剂共插入,降低插锂性能。 石油焦类碳材料的插、脱锂的特性是:(1)起始插锂过程没有明显的电位平 台出现;(2)插层化合物Li x C 6 的组成中,x=0.5左右,插锂容量与热处理温度 和表面状态有关;(3)与溶剂相容性、循环性能好。 根据石墨化程度,一般碳负极材料分成石墨、软碳、硬碳。 1、石墨 石墨材料导电性好,结晶度较高具有良好的层状结构,适合锂的嵌入-脱嵌,形成锂-石墨层间化合物,充放电容量可达300mAh.g-1以上,充放电效率在90%

锂离子电池硅基负极材料的研究进展

第23卷第2期 电池工业Chinese Battery  Industry  2019年4月 ·综述· 锂离子电池硅基负极材料的研究进展 ① 潘雨默1,2,牛 峥1,2,陈祥祯1,2,唐佳易1,2,孙迎辉1,2,王海波1,2,3,赵 亮1,2(1. 苏州大学能源学院、能源与材料创新研究院,江苏苏州 215006;2. 江苏省先进碳材料与可穿戴能源技术重点实验室,江苏苏州 215006;3. 轻工业部化学电源研究所,江苏苏州 215006)摘要: 硅材料因其具有较高的理论容量、脱/嵌锂电位较低等优势受到人们的广泛关注。但是硅材料在嵌/脱锂过程中剧烈的体积效应限制了其实际应用。剧烈的体积变化将导致电极材料快速机械粉化,并从集流体上逐渐脱离,造成容量的快速下降。同时,还会导致材料表面的固体电解质界 面膜(solid electroly te interface,SEI)不断破坏-重构,造成持续的锂离子损耗。因此这些缺点是硅材料运用于电池负极材料亟需解决的问题。针对上述问题一个很好的解决办法是同具有弹性的导电材料进行复合,由此硅与碳材料的复合成为锂离子电池阳极的理想选择。本文列举了一些改进硅基负极材料的方法,并对一些硅/碳复合负极材料进行了综述,以及提出未来硅碳负极材料发展趋势。 关键词:锂离子电池;硅负极;体积膨胀;硅/碳复合 中图分类号:O646.21 文献标识码:A 文章编号:1008-7923(2019)02-0092- 09Recent Prog ress for Silicon-based Anode of Lithium Ion BatteriesPAN Yu-mo1,2,NIU Zheng1,2,CHEN Xiang -zhen1,2,TANG Jia-yi 1,2,SUN Ying-hui 1,2,WANG Hai-bo1,2,3,ZHAO Liang 1,2(1.College of Energy,Soochow Institute for Energy  and Materials InnovationS,Soochow University,Suzhou,Jiangsu Province,215006,China;2.Key Laboratory  of Advanced Carbon Materials and WearableEnergy  Technologies of Jiangsu Province,Soochow University,Suzhou,Jiangsu Province,215006,China;3.Institute of Chemical Power Sources,Soochow University,Suzhou,Jiang su Province,215006,China)Abstract:Silicon has attracted much attention in recent years due to its advantages of high sp ecificcapacity,and low lithium insertion/deintercalation electric potential.However,the p oor electro-chemistry  performance due to the large volume change of Si upon insertion and extraction of lithi-um has been an impediment to its deployment.The drastic volume effect will lead to the rap idmechanical pulverization of the electrode material,and gradually break away  from the current col-lector,resulting in a rapid decrease in the capacity  of the electrode materials.At the same time,itwill also lead to the continuous destruction and reconstruction of the solid electroly te interface①基金项目: 苏州大学大学生创新创业训练项目(2017xj 028)作者简介: 潘雨默(1 997-),女,吉林人,本科生,主要从事硅基锂离子电池的研究工作。指导老师: 赵亮(1 987-),男,山西人,实验师,主要从事锂离子电池和原位电镜相关研究。王海波(1978-) ,男,江苏人,现任苏州大学能源学院副教授。孙迎辉(1 977-),男,河北人,现任苏州大学能源学院副教授。

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