硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料研究进展
石墨具有优异的机械性能和导电性，与硅复合后可有效提 高材料的导电性，同时缓解硅在嵌 ／脱锂过程中的体积效应，提 高材料的循环稳定性和储锂能力。
Ｊｅｏｎｇ等人通过水热碳化的方法制备出硬碳涂层纳米硅 ／ 石墨（ＨＣ－ｎＳｉ／Ｇ）复 合 材 料［５］。ＨＣ－ｎＳｉ／Ｇ复 合 电 极 的 比 容 量高达 ８７８．６ｍＡｈ／ｇ，具有优异的电化学性能，良好的循环稳定 性和倍率性能。在这种具有分层结构的复合材料中（图 １），硬 碳涂层不仅提供电子转移的有效途径，还可缓解硅在锂化过程 中的体积变化。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｌｉｃｏｎ－ｃａｒｂｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｈｉｇｈｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｐｅｃｉｆｉｃｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｓｔａｂｌｅｃｙｃｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｒｅｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｂｅａ ｎｅｗａｎｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｔｏｒｅｐｌａｃｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｇｒａｐｈｉｔｅａｎｏｄｅｓ．Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｇｒｅａｔｐｒｏｇｒｅｓｓｈａｓｂｅｅｎｍａｄｅｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆＳｉ＠Ｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃａｒｂｏｎｍａｔｒｉｘｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｗｉｌｌｈａｖｅａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｉｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆＳｉ＠Ｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｆｒｏｍ ｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｏｎｍａｔｒｉｘｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄｔｈｅｉｒｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｉ／Ｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ａｎｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｃａｒｂｏｎｍａｔｒｉｘｍａｔｅｒｉａｌ
第 １５期
瞿诗鹏：硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料研究进展
·６７·
硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料研究进展
瞿诗鹏
（天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 ３００３８７）
摘要：硅碳复合材料具有高理论比容量和稳定的循环性能等优势，成为有望替代传统石墨负极的新型负极材料。近年来，人们对于硅碳 复合材料的研究已经取得巨大进展，不同的碳基质材料以及制备方法都会对其性能产生重要影响，因此本文主要从碳基质材料的种类 及其制备方法来讨论硅碳复合材料的研究现状。 关键词：硅碳复合材料；负极材料；碳基质材料 中图分类号：ＴＭ９１１．１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１９） 良 的 机 械 强 度、柔 韧 性 以 及 高 的 电 子 迁 移
１．２ 硅 ／无定形碳复合材料
无定形碳来源广 泛，且 其 可 逆 容 量 较 高，热 解 无 定 形 碳 层 可有效缓解硅的体积效应，提高复合材料的导电性。
Ｚｈｏｕ等通过化学还原和热处理法合成了硅 ／碳纳米球（Ｓｉ ＠ＣＮｓ）复合材料［７］。这种复合材料是由无定形碳层包覆着硅 颗粒，且硅颗粒和碳纳米球均匀分散在复合材料中。独特的碳 骨架可缩短离子扩散距离并增大比表面积，有效的增强了材料 的电子传输能力并缓解了硅的体积效应。复合材料在 ０．２Ａ／ｇ 的电流密度下，首次可逆比容量为 ８８９ｍＡｈ／ｇ，且循环 ５０圈后 仍保持 ６１１ｍＡｈ／ｇ的充电容量，这主要归因于材料良好的结构 稳定性和电子导电性。
研究人员对硅碳复合材料进行了大量的研究并取得了显 著成果，本文主要按照碳材料的一般分类方法以及硅碳复合材
料的制备方法对其研究进展及现状进行论述与分析。
１ 硅碳复合材料
硅碳复合材料可有效避免电解液与硅的直接接触，减少由 硅表面悬键引起的电解液分解，还可提高材料的导电性。传统 碳材料有石墨 ［５－６］、无 定 形 碳 ［７］和 中 间 相 碳 微 球 等，新 型 碳 材 料包括石墨烯［８］、碳纳米管［９］和碳纳米线等。
近年来，由于 人 们 对 能 源 的 需 求 日 渐 增 加，使 得 化 石 能 源 快速枯竭且造成严重的环境污染，而新型清洁能源的开发和利 用能够有效缓解能源枯竭造成的种种困境，因此人们对新型能 源的研发也越发关注。锂离子电池则由于具有比能量高、工作 电压高和循环寿命长等优势而成为当今新能源开发领域的研 究热点［１］。目前，商业化的锂离子电池负极材料主要是以具有 稳定工作电压和良好循环性能的石墨类材料为主，但其理论容 量较低，这限制了 锂 离 子 电 池 的 长 远 发 展，因 此 研 发 高 容 量 负 极材料具有重要意义。硅由于具有理论容量高（４２００ｍＡｈ／ｇ）， 嵌锂电位低（０．５Ｖ）以及储量丰富等优势被认为是理想的锂离 子电池负极材料［２］。但是在脱 ／嵌锂过程中硅存在严重的体积 膨胀，这会导致 电 极 材 料 粉 化 并 从 集 流 体 上 脱 落 ［３］。 另 外，在 锂化过程中 ＳＥＩ膜会不断破碎重组，消耗大量活性 Ｌｉ＋，致使库 伦效率降低，电池容量衰减［４］。碳材料具有优异的导电性和机 械性能，且能够与 硅 很 好 地 兼 容，因 此 硅 碳 复 合 材 料 能 够 显 著 提高电极材料的储锂能力、导电性和循环稳定性。
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＳｉ／ＣＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｓＡｎｏｄｅＭａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒＬｉｔｈｉｕｍ ＩｏｎＢａｔｔｅｒｉｅｓ
ＱｕＳｈｉｐｅｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８７，Ｃｈｉｎａ）
图 １ 互联 ＨＣ－ｎＳｉ／Ｇ复合材料的合成示意图
收稿日期：２０１９－０５－０８ 作者简介：瞿诗鹏（１９９３—），男，河南人，硕士学历，主要从事锂离子电池硅碳负极材料方面的研究。
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山 东 化 工 ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１９年第 ４８卷
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
硅碳负极产量 -回复
硅碳负极产量-回复：什么是硅碳负极？硅碳负极是一种新型的负极材料，用于锂离子电池中，能够提供更高的容量和更长的循环寿命，是目前电池研发领域的热门课题之一。
一、硅碳负极材料的基本概念和特点硅碳负极材料是由硅和碳组成的复合材料，具有高比容量、低电压极化以及良好的循环稳定性等特点。
传统的石墨负极材料在充放电过程中容易发生热胀冷缩现象，导致电池的循环寿命有限。
而硅碳负极材料通过引入硅元素，可以提高负极材料的比容量，减少电池的尺寸和重量，延长电池的循环寿命。
二、硅碳负极的制备方法硅碳负极的制备方法有多种，其中较为常见的方法包括机械球磨法、溶胶-凝胶法、高温石墨化法、水热法、碳化硅热解法等。
这些方法在材料的结构、晶体形貌以及电化学性能等方面均有不同的影响。
三、硅碳负极产量的影响因素1. 硅碳负极材料的配比：硅碳负极材料通常是由硅和碳两种元素按一定比例配制而成，不同的配比会影响负极材料的结构和性能。
2. 制备方法：不同的制备方法对硅碳负极材料的产量有着直接的影响。
一些制备方法可能会导致不稳定的产量，而一些新的制备方法可能可以提高硅碳负极的产量和性能。
3. 材料纯度：硅碳负极材料的纯度也会影响其产量。
纯度较高的材料通常会有较高的产量和更好的电化学性能。
4. 材料结构和晶粒大小：硅碳负极材料的结构和晶粒大小对其产量也会有影响。
一些特定的结构和晶粒大小可以提高材料的比容量和循环寿命。
四、提高硅碳负极产量的方法1. 优化材料的配比：通过调整硅碳负极材料的配比，可以改善其结构和性能，进而提高产量。
2. 改进制备方法：研发新的制备方法或对现有方法进行改进，可以提高硅碳负极材料的产量。
3. 提高材料纯度：改进合成工艺，提高材料的纯度，从而提高硅碳负极的产量和性能。
4. 优化材料的结构和晶粒大小：通过调控硅碳负极材料的结构和晶粒大小，可以改善其电化学性能，提高产量。
五、硅碳负极产量的研究进展和应用前景硅碳负极材料的研究正在快速发展，目前已有许多研究成果取得了令人瞩目的成果。
硅-碳复合材料的制备及其在锂离子电池中的应用研究
硅-碳复合材料的制备及其在锂离子电池中的应用研究硅/碳复合材料的制备及其在锂离子电池中的应用研究摘要：锂离子电池作为一种高效、轻型、高能量密度的储能装置，日益广泛应用于移动通讯、电动车辆等领域。
然而，锂离子电池中负极材料的性能仍然限制了其长期使用。
硅材料作为一种有望替代传统石墨材料的负极材料，其高电容量和较负石墨的更高充放电速率，使其成为研究的热点。
然而，硅的容量膨胀和体积变化问题严重影响了其在锂离子电池中的应用。
为了解决这一问题，许多研究人员开始制备硅/碳复合材料，并将其应用于锂离子电池中。
1. 硅/碳复合材料的制备方法1.1 化学还原法1.2 电化学沉积法1.3 气相沉积法1.4 溶胶-凝胶法2. 硅/碳复合材料的结构特性2.1 硅纳米颗粒尺寸和形貌2.2 碳包覆层的厚度和均匀性2.3 硅/碳复合材料的晶体结构3. 硅/碳复合材料在锂离子电池中的应用3.1 提高电容量3.2 改善循环稳定性3.3 提高倍率性能3.4 减少体积膨胀4. 硅/碳复合材料的制备及应用研究进展4.1 硅/碳复合材料在锂离子电池中的性能优化4.2 硅/碳复合材料的应用前景展望总结：硅/碳复合材料作为一种有潜力的负极材料，具有高电容量、较好的循环稳定性和倍率性能，以及减少体积膨胀的优势。
通过不同的制备方法，可以得到具有不同结构特性的硅/碳复合材料。
未来的研究应集中在进一步提高硅/碳复合材料的容量和稳定性，提高其循环寿命和倍率性能，以实现其在锂离子电池中的更广泛应用硅/碳复合材料作为一种有潜力的负极材料，在解决硅的容量膨胀和体积变化问题上取得了显著进展。
不同制备方法可以得到具有不同结构特性的硅/碳复合材料，这些特性包括硅纳米颗粒尺寸和形貌、碳包覆层的厚度和均匀性以及硅/碳复合材料的晶体结构等。
在锂离子电池中的应用中，硅/碳复合材料能够提高电容量并改善循环稳定性、倍率性能以及减少体积膨胀。
未来的研究应集中在进一步提高硅/碳复合材料的容量和稳定性，提高其循环寿命和倍率性能，以实现其在锂离子电池中的更广泛应用。
碳、硅及磷酸钛锂纳米复合膜锂离子电池负极材料的研究
碳、硅及磷酸钛锂纳米复合膜锂离子电池负极材料的研究随着信息技术、手持式机械和电动汽车的迅猛发展，对高效能电源的需求急剧增长，高能量密度、高功率密度的锂离子电池已经成为目前发展最为迅速的领域之一。
一方面，随着化石类能源的不断消耗，以及人们环保意识的加强，传统能源消耗方式必将发生改变；另一方面，太阳能、风能等新型能源仍然存在很大的局限性，比如供能间歇式的问题。
所以，锂离子电池的发展是必然趋势。
锂离子电池是在锂电池的基础上发展起来的一类新型电池，在锂离子电池中采用可使锂离子嵌入和脱出的碳材料代替纯锂作为负极，锂离子电池具有安全性能高、循环寿命好、高比能量、高电压、等优点，在众多储能器件中优点突出。
提高锂离子电池的关键在于正负极材料，而正极材料的比容量很难提高，因此提升锂离子电池储能密度要在负极材料上着手。
硅作为负极材料，理论比容量高，自然界储量丰富，储锂电位低，是最具潜力的新一代锂离子电池负极材料，具有十分广阔的发展应用前景。
但需要解决硅在脱、嵌锂过程中的体积效应，以及低电导率问题，解决方法主要是纳米化和缓冲介质。
采用PVD法制备多层膜结构的碳、硅及磷酸钛锂复合薄膜，纳米硅层和碳缓冲层都可以有效缓解了硅在充放电过程中的体积膨胀，从而改善锂离子电池的循环效应，磷酸钛锂的引入能够增加硅的离子电导率，加快了活性物质活化。
实验发现，复合薄膜的循环性能欠佳，猜测是由于薄膜的结晶性不好引起的，因此对薄膜进行不同温度的热处理，发现薄膜的结晶性发生改变，循环性能能够得到很大改善。
1.1前言随着社会以及科技的进步，不论是基础工业，还是新兴科技产业，都对能源有着越来越大的需求,能源作为社会发展的重要动力，一直受到极高的重视，各类新型能源不断诞生，如风能、太阳能、地热能等。
考虑到持续长时间供电，以及石油天然气不可再生问题及对环境造成污染问题，对高能量密度高功率密度的锂离子电池的需求越来越迫切。
现如今，电动自行车、电脑、手机等各类电子产品在人们的生活当中愈发重要，因此对高储能设备的依赖性也越来越大，对二次电池的需求不断增加。
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1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。
锂离子电池硅碳复合负极材料研究进展
锂离子电池硅碳复合负极材料研究进展曹志颖;孙红亮;杨亚洲;孙俊才【摘要】Si/C composites which have high capacity and low discharge potential have been investigated as possible substitute for the commercial graphite or carbon anode.Recent years,Si/C composites materials as anodes for lithium-ion batteries were focused by manyresearchers.Different methods and materials have significant impact on the properties of Si/C composites.The recent progress of Si/C composites materials was summarized according to the classification of carbon materials.Furthermore,this paper discussed the rasearch trend of Si/C composites as anodes for lithium-ion batteries.%硅碳负极材料具有最高的储锂容量和较低的电压平台,有望成为替代商业化石墨或碳负极的材料.关于硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料的研究是近年来该领域的研究热点.不同的实验方法和原料都会对复合材料的性能产生重要的影响.按碳材料的分类综述了近几年关于硅碳复合材料的研究进展,并重点介绍了材料的制备方法及其优缺点.此外,还初步讨论了硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料的研究趋势.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2018(042)005【总页数】3页(P722-724)【关键词】锂离子电池;负极材料;硅碳复合材料;缓冲基体【作者】曹志颖;孙红亮;杨亚洲;孙俊才【作者单位】大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院,辽宁大连116026;大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院,辽宁大连116026;大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院,辽宁大连116026;大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院,辽宁大连116026【正文语种】中文【中图分类】TM912.9随着环境问题的日益严重、化石能源的衰竭及各种便携电子产品和电动汽车的广泛应用和迅速发展，对化学能源的需求及性能要求也在不断提高。
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电极在脱嵌锂的过程中的体积效应所造成的容量快速衰减, 是其实用化进程的巨大阻碍[7-8] . 在电化学储锂过程中, 每个硅原子平均结合44个锂原子后得到Li22Si5合金相, 造成材料的体积变化可达到300% 以上[9] . 由巨大的体积效应产生的机械应力会促进电极表面微裂纹的产生和传播, 使活性物质从集流体上逐渐破裂、脱落, 从而丧失与集流体的电接触, 造成电极循环性能迅速下降[10] . 另外, 由于硅本身是半导体材料, 本征电导率比较低, 仅有 6.7 × 10 - 4 S / cm, 故需加入导电剂来提高电极的导电性[11] . 为解决这一难题, 人们利用纳米硅粉体作为负极材料, 但研究表明, 锂离子在纳米硅材料中的反复嵌入和脱出会导致硅纳米颗粒发生不可逆的电化学烧结, 造成电池循环性能的急剧下降[12] .导致硅负极材料容量剧烈衰减的另一重要原因是现有电解液中的LiPF6 分解所产生微量HF 对硅造成了腐蚀[18] . 此外, 由于其剧烈的体积效应造成的颗粒粉化, 使得新的硅原子不断消耗Li + , 导致在常规的LiPF6电解液中难以形成稳定的表面固体电解质(solid electrolyte interface, SEI) 膜, 随着活性物质的粉化脱落和电极结构的破坏, 新暴露出的硅表面不断与电解液反应形成新SEI 膜, 导致充放电效率降低, 容量衰减加剧.为使硅材料具有高容量, 同时兼具有良好的循环性能, 目前主要通过以下3 种方法来改善硅基负极材料的电化学性能: ①制备硅纳米材料. 一则可减小硅的绝对体积变化, 另则制备非晶硅薄膜等以消除晶体硅的非均匀变形; ②制备硅基合金材料. 使硅与其他元素形成硅化物, 以减小材料体积变化; ③制备硅基复合材料. 使硅与其他非金属类材料复合, 通过缓冲基体的缓冲性能限制硅的体积变化。
锂离子电池硅基负极材料研究与进展
Research progress in silicon -based anode materials for lithium -ion batteries
HAO Haobo 1,2 , CHEN Huimin 1 , XIA Gaoqiang 2 , FAN Xiecheng 2 , ZHAO Peng 1,2
Key words: lithium-ion battery; silicon anode material; review; SiO; carbon coating
收稿日期: 2020-10-15
基金项目: 新疆维吾尔自治区高校科研计划科学研究重点项目(XJEDU2019I025)
通信作者: 陈惠敏, 教授, 主要从事功能材料的制备研究。 E-mail: chm@ cjc. edu. cn
为了克服纯硅负极材料在锂离子电池应用中存在的
这些缺陷, 提高锂离子电池性能, 研究者进行了多种改
进研究, 包括硅的纳米化
成硅 / 金 属 合 金
覆
[28-34]
[23-27]
[8-17]
, 合成氧化亚硅
[18-22]
, 合
以及对硅材料进行表面碳包
。 本文对锂离子电池硅基负极材料的研究进展进
行了综述, 并对硅基负极材料的发展趋势进行了展望。
摘 要: 随着消费类电子产品及新能源汽车的发展, 高能量密度的锂离子电池逐步成为了研究热点。 当前使用的石
墨负极材料的理论比容量为 372 mAh / g, 亟需研发高容量的负极材料。 硅作为负极材料, 其比容量为石墨的 10 倍,
且脱锂电位低, 被认为是最具潜力的新型负极材料。 纯硅负极材料在锂离子电池应用中, 由于其巨大的体积膨胀效
碳材料在锂离子电池负极中的应用研究
碳材料在锂离子电池负极中的应用研究近年来，电动汽车的普及，让锂离子电池成为了备受瞩目的电池技术。
其中，负极是锂离子电池的一个关键部件，直接关系到电池的性能表现和使用寿命。
为了提高锂离子电池负极的性能，碳材料作为一种重要的负极材料，越来越受到科学家们的重视。
那么，碳材料在锂离子电池负极中的应用研究都有哪些进展呢？一、碳材料在锂离子电池负极中的作用原理锂离子电池负极的主要材料有碳、硅、锂钛矿、锂铁磷酸盐等。
而其中碳作为负极材料则具有以下几个优点：一是具有无限可循环使用的性质，可以实现长久的电池寿命；二是足够安全，不会出现火灾或爆炸问题；三是成本相对较低，可以大规模生产。
在锂离子电池中，负极材料接受锂离子在充放电过程中的嵌入和脱嵌。
而碳材料则可通过多种方式来实现嵌入和脱嵌，如高温炭化法、溶胶-凝胶法、水热法等。
其中，高温炭化法是制备碳材料最为常用的方法，主要是将有机物高温热解为无机碳材料。
由于碳材料的特殊性质，可以在很大程度上优化锂离子电池负极的性能。
例如：碳材料的导电性好，在充电和放电过程中可以快速传递电荷；碳材料的比表面积大，可以提供更多的表面积给锂离子嵌入和脱嵌反应，从而提高电池的容量和能量密度；碳材料的结构可调控性强，可以通过粒度、形貌、孔径等方式优化其结构，从而控制充放电过程中电池的性能表现。
二、碳材料在锂离子电池负极中的应用研究进展1. 石墨化碳材料石墨化碳材料是一种以石墨化程度为基础的碳材料，具有高导电性、较大比表面积、良好的化学稳定性等特点。
因此，在锂离子电池中，石墨化碳材料被广泛应用于电池负极材料中。
此外，石墨化碳材料还可以通过微观调控达到优化电池性能的效果。
2. 三维碳材料三维碳材料具有独特的空间结构和特殊的电子传输性质，是一种有望实现高容量和高稳定性锂离子电池负极材料的新型碳材料。
此外，三维碳材料的制备方法不断创新，如自组装、印刷、微流控等方法，不仅提升了其性能表现，还有利于工程化大量生产。
硅基锂离子电池负极材料的研究进展
TheSocialAngle 社会广角Cutting Edge Education 教育前沿 31硅基锂离子电池负极材料的研究进展文/张梓涵摘要：硅基材料理论比容量高达4200mAh/g，是锂离子电池负极材料中理论比容量最高的研究体系。
又因其具有低嵌锂电位、高能量密度，硅基材料成为了近些年来被广泛研究的对象，有望替代碳负极材料成为新一代锂离子电池负极材料的选择之一。
但同时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巨大的体积膨胀（300%以上），使材料逐渐粉化，导致电极活性物质与集流体失去接触，并且伴随着结构的破坏，暴露出的硅表面不断形成新的SEI膜，加剧了硅的容量衰减，因而导致电池循环性能的恶化。
本文介绍了硅作为锂离子电池负极材料的相关储能以及失效机理，重点综述了近几年来针对硅基负极材料出现的问题所进行的改性研究，涵盖硅复合材料的制备、性能与不同维度的结构设计等等，并对硅基负极材料在未来领域的应用做出了展望。
关键词：硅基负极材料；锂离子电池1 硅基负极材料工作原理及挑战在现今各种储能电池技术中，锂离子电池具有能量密度高、工作电压高（3.6v 左右）、使用寿命长、无记忆效应、快速可逆充放电、高库伦效率、环境友好（无铅、浓硫酸以及重金属污染物）、政府政策支持等优势，这使其在众多储能系统中脱颖而出，并已在小型电子产品如手机,笔记本电脑及数码相机等中得到广泛应用。
随着科技的进步和需求的增长, 锂离子电池从电子终端设备走向电动汽车和储能技术领域已经成为必然。
这就意味着电子设备对能量密度的需求随之提高，所以提高锂离子电池的能量密度自然成为了重中之重。
锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜、集流体和封装材料等组成。
负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，对电池使用性能起到关键作用，近些年来被广泛研究。
现今主流的锂离子电池负极材料主要为石墨负极材料，其比容量为372mAh/g，远不能满足市场对下一代高能量密度锂离子电池的续航能力要求。