过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的类型以及改性

过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的类型以及改性
过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的类型以及改性

二○一五年专业课论文

过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的类型以及改性研究

学院:材料科学与工程学院

专业:材料物理与化学

姓名:崔宇

学号:2014231015

过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的类型以及改性研究

崔宇

长安大学材料科学与工程学院,陕西西安,710049

摘要系统的介绍了锂离子电池负极材料的类型,原理以及电化学性能?叙述了对不同的材料的改性办法?简要介绍了氧化物材料的纳米改性和复合改性,对以后可能展开的研究方向提出指导?

关键词锂离子电池负极;纳米改性

Types of transition metal oxide anode material for lithium-ion batteries and modification

Abstract Systems introduces the type of anode material for lithium-ion batteries, principle and electrochemical properties. Modified approach to the different materials is described. Introduced and modification of nano-modification of oxide materials, possible research direction in the future.

Keywords Lithium ion battery; Nano modified

0引言

伴随着互联网移动化的进程,诞生出越来越多的移动设备?随着智能手机的普及,电池这一性能瓶颈带来的问题日益突出?因此,研发出新的具有更强性能的锂电池成为当下的热点方向?由于手机对于锂电池的容量要求极高,而且它具有较高的利润,因此使用一些金属元素来代替现有的碳材料成为可能?目前,传统的石墨负极材料理论比容量为372mAh/g,已不能满足新一代高比容量电池负极材料的需求,为此,开发新型高比容量锂离子电池负极材料显得迫在眉睫[1-2]?与传统的石墨负极相比,过渡金属氧化物拥有高的理论容量和首次充放电容量?然而由于它们存在首次库仑效率低?高倍率充放电容量低和循环稳定性较差等缺陷,限制了其广泛应用[3-5]?与正极材料一样,负极材料也是影响锂离子电池性能的重要因素之一,是锂离子电池发展的主要研究内容?它经历了3个阶段的发展,分别是最初的金属锂,锂合金和目前商业应用的碳材料?一般来说,理想的负极材料应满足以下要求[6-7]:

(1)低的氧化还原电位,近可能接近锂的电位?负极材料的氧化还原电位越低,

整个电池系统的工作电位就会越高,这样锂离子电池将获得更高的能量;

(2)良好的电子传导率和锂离子迁移率?良好的导电性和锂离子迁移率可以保证电池反应的快速发生,从而保证电池系统能够进行快速充电;

(3)结构稳定,容量高?负极材料应该具有锂离子容易脱嵌的结构,并且在发生锂离子脱嵌的过程中,其结构应该保持稳定,具有稳定的循环性能;

(4)与电解液有很好的兼容性,并且不与电解液反应;

(5)制备容易?成本低?环保?无毒性等?

1碳基负极材料

自从索尼公司用碳材料作负极的商品化锂离子电池以来,人们对碳负极进行了广泛研究?目前使用的碳基负极材料主要包括石墨和无定形碳两大类?石墨因导电性好?结晶度高?层状结构有利于锂离子的脱嵌,工作电位与金属锂相近等优点而被广泛研究,同时石墨也是最早实现商业化的碳负极材料,其理论比容量为372mAh/g,在实际应用中容量可达330mAh/g左右[8]?无定形碳主要包括硬碳和软碳两种,软碳为经2500℃以上高温处理后能石墨化的无定形碳,其中典型代表为中间相碳微球(MCMB),其石墨化程度低,可逆容量约为为320 mAh/g[9];硬碳通常为难以石墨化的碳,即使在2500℃下也难以石墨化,一般具有比较大的比表面积,主要为特殊结构的高分子聚合物的热解碳,具有单层碳原子的无序排列结构,层间距比较大以及在层间中存在着大量的微孔,这就大大的增加储锂面积,所以硬碳基本上都具有较高的嵌锂容量,可达到500mAh/g以上[10]?然而此类材料都具有密度小和首次库企效率低等缺点而难以满足商业化锂离子电池的要求,通常被用作其他负极材料的添加剂以增加电导率?近年来,越来越多的纳米级别的新型碳材料被发现,如碳纳米管?多孔碳?碳纳米纤维和石墨稀等[11-13],这些材料因具有特殊的纳米结构,使得它们的比容量比普通碳基材料高?碳纳米管因直径小,比表面积大,从而可以提供很多的锂离子嵌入活性点,从而具有很高的比容量;另外,碳纳米管的良好的电子和离子传导性,使材料具有很好的倍率性能?但是,碳纳米管产率很低,不适合广泛的商业应用,一般被作为碳源与其他负极材料进行复合以增加电导率?石墨稀这一颗科学界的“新星”,

因具有优异的电导率?极高的比表面积(约2630m2/g)?机械柔朝性好等特点被广泛研究?由于石墨稀极高的比表面积和猎皱结构,使得锂离子不仅可以存储在石墨炼的片面上,还可以存储在石墨稀的边沿?缺陷以及其他位置,从而具有较高的比容

量?Kim等人[13]用石墨炼作为锂离子电池负极材料测得其比容量约为540 mAh/g 人目前,石墨稀主要应用于与金属氧化物进行复合从而提高氧化物的导电性,改善其循环性能?

2合金类负极材料

金属锂用作负极材料时易产生枝晶,而用锂合金替换可以有效的避免此现象的发生,从而提高电池的安全性[14]?锂合金材料一般为金属锂与金属类或半金属类元素之间进行合金化的产物,这些元素主要集中在第4和第5主族,如:Si, Sn, As, Sb ,Ge, Pb, P和Bi?还有一些像Al, Zn, Cd, Ag, Au, In, Ga和和Mg金属元素也可以形成锂合金材料,其中研究最广泛的合金材料为Si[15,16]和Sn[17,18]合金类材料?

2.1锂离子电池挂基负极材料

在硅基负极材料中1个桂原子最多可以与4.4个锂离子反应形成Li4.4Si合金,使得其理论容量高达4200 mAh/g,其值最接近于金属锂?另外Si还具有无毒环保,嵌锂电位低并且资源丰富等优点,这些特性使得Si成为有望取代石墨的一种理想材料?但是,Si在充放电过程中会出现严重的体积变化,其变化量通常高达280 %-300 %,巨大的体积变化将产生很大的应力,从而出现电极材料的结构失稳?电极粉化等现象,甚至出现电极材料与集流体脱离,使得容量快速衰减,这也是桂基材料未取得广泛应用的主要原因?目前,改善Si基材料循环性能的办法主要有制备Si纳米材料和利用碳基材料与Si复合?

2.2锂离子电池锡基负极材料

自从1997年日本Fujifilm公司发现无定形锡基氧化物(TOC)具有较长的循环寿命和较高的可逆容量以来,锡基负极材料引起广泛的关注[19]?与桂基材料类似,锡基材料中1个Sn原子可以和4.4个锂离子反应形成Li4.4Sn合金,其理论容量可达到990 mAh/g,但是锡基材料也面临着充放电过程中体积膨胀(约100 %-300 %)的问题,从而极大的限制了其广泛的商业化应用?锡基氧化物最常用的改性办法主要有合成具有较大比表面积纳米材料,有效缓解充放电过程中的巨大体积变化,从而有效改善材料的循环性能?另一种有效方法为与碳材料进行复合形成复合材料,其中碳对Sn颗粒进行表面包覆,可以有效缓冲体积膨胀,防止活性颗粒团聚,同时也还可进一步提高材料的导电性?另外,碳材料本身也是一种很好的嵌锂材料,并且其结构在脱嵌锂过程中变化很小,与碳复合可有效的改善锡基材料的电化学性能?Wan等人[20]通过模板法成功制备了中空C/Sn复合材料,表现出极高的容量和优异的循环性能?Yu等人[21]合成出来的Sn/C复合纳米材料,具有良好的循环性能,200次循环后其容量仍维持在737 mAh/g?

2.3 Li4Ti5012负极材料

Li4Ti5012结构与LiMn2O4类似,也属于尖晶石结构,空间群为Fd3m,理论上, Li4Ti5012可以嵌入3个锂离子生成Li7Ti5012,生成的Li7Ti5012也属于尖晶石结构,并且其晶胞体积与Li4Ti5O12几乎一致,故常Li4Ti5012被称为零应变材料,从而使得Li4Ti5012结构在充放电过程中十分稳定,其循环寿命可达数千次乃至上万次?Li4Ti5012的理论比容量为175mAhg?实际应用中也可达到150-160mAh/g[22]?虽然Li4Ti5012的循环性能比较好,但Li4Ti5012导电性差(10-13S/cm)?离子扩散系数也很低(10-8cm2/s),加上其平台电压比较高,通常要与4或5V正极材料搭配使用,这导致Li4Ti5012材料在大电流密度下容量衰减很快,倍率性能差等缺点?通常釆用离子掺杂?表面包覆?减小Li4Ti5012粒径来改善Li4Ti5012的倍率性能?

2.4金属氧化物负极材料

早在上世纪80年代,人们就发现一些金属氧化物具备可逆充放电的能力,从而将其应用于锂离子电池电极材料,其中锡的氧化物研究的最多,如SnO2和SnO[23-

24]?自从Tarascon等人于2000年首次报道了纳米尺寸的过渡金属氧化物

(Co3O4,NiO,CuO和Fe2O3)作为锂离子负极材料具有优异的储锂性能后,过渡金属氧化物引起了全球范围内的极大关注,掀起了一股以过渡金属氧化物为锂离子电池负极材料的研究热潮?根据不同的充放电机理,主要可分为三类:合金类反应?嵌入式反应和转换式反应(3d过渡金属氧化物)?

2.4.1合金类反应金属氧化物

这类金属氧化物中最常见的是SnO2 [25],在充放电过程中, SnO2首先与金属锂反应生成金属Sn和Li2O,随后金属锡与锂进行可逆的合金化反应,而Li2O不参

与反应?与Sn基材料类似,1 mol SnO2理论上最多可与4.4 mol的锂离子发生可逆反应,其理论容量为780mAh/g?其反应机理如下所示:

SnO2+ 8Li++ 8e-→Sn + 4Li2O (1-6)

Sn + 4.4Li++4.4e-→Li4.4Sn (1-7)

和锡基材料一样,SnO2在充放电过程中也会出现巨大的体积变化,从而导致容量衰减很快,循环性能变差?目前, SnO2材料改性方法主要有:合成具有纳米结构?

制备不同形貌的SnO2材料,进行表面包覆,与碳材料进行复合等?

2.4.2嵌入式反应金属氣化物

这类金属氧化物的储锂方式与Li4Ti5012类似,也是通过嵌入式反应来进行的?这种方式表现在电化学反应是通过锂离子在金属氧化物结构中进行可逆的嵌入与脱出而发生的,这样不会使氧化物结构发生太大的变化[27]?其中典型物质为TiO2,反应式1-8为其反应机理,反应时1 mol的TiO2与X mol的Li离子进行可逆反应生成LixTiO2,其中X的具体数值取决于TiO2晶态与尺寸?一般认为,1 mol的锐钛矿晶型的TiO2可以与0.5mol的Li+进行可逆反应,其理论容量可达167mAh/g;对于TiO2(B)材料,其1 mol可以与0.75 mol的Li+进行可逆反应,其理论比容量比锐铁

矿高,可达到251mAhg人由于TiO2材料电导率及离子迁移率都比较低,从而导致材料的倍率性不佳,通常改善倍率性能的方法有:合成纳米尺寸的TiO2?进行离子掺杂?表面进行碳包覆等?

TiO2 + xLi+ + xe-→LixTiO2 (1-8)

2.4.3转换式反应金属氧化物

其实大部分金属氧化物都是以转换式反应的形式来进行储锂的,其中比较典型的就是Tarascon等人[25]2000年报道的过渡金属氧化物(MxOy M = Co , Fe, Ni, Mn, Cu等)?这类氧化物的理论比容量都比较高,一般在700mAh/g以上,它们以转换式的形式进行储锂,其机制有别于传统碳材料(原子层间插入机理),锡基?娃基材料(合金化机理),Ti02 (嵌入式反应机理),其反应机理如下所示:

MxOy + 2yLi++ 2e? xM + yLi2O (1-9)

上述反应机理同样也适用于过渡金属氟化物?硫化物?氮化物等?从上式中可以得知在首次放电过程中, MxOy粒子与锂发生反应,产生非晶态的Li2O和尺寸约为

2-8nm的具有高度电化学活性的金属M颗粒,金属颗粒分散于非晶态的Li2O中?与

此同时,在过渡金属氧化物的表面出现电解液的分解,颗粒表面形成一层固态的电解质(SEI)膜,此过程会消耗了一定的锂离子,这会对首次放电容量有一定贡献,导致首次放电过程中容量均会超过理论容量?在之后的充电过程中,过渡金属M与Li2O反应,重新生成过渡金属氧化物MxOy,同时会分解部分的SEI膜,尺寸为2-8 nm金属

颗粒具有高度的活性,这种高度活性使得逆反应得以发生?一般过渡金属氧化物的首次不可逆容量比较大,库伦效率比较低(约50%-70%),其主要原因是由于有些纳米过渡金属M和Li2O不能完全转化成MxOy,另一方面源于首次充电过程中不能完全分

解首次放电过程中生成的SEI膜?

3 3d过渡金属氧化物负极材料的研究进展

3.1钴的氧化物

对于钴氧化物的研究主要集中于Co3O4和CoO,它们与锂进行反应生成金属Co

纳米颗粒与Li2O,这一特性早在1982年就被Thackeray等人[28]发现?然而,其真

正应用于锂离子电池是在2000年Pizot等人[25]在Nature上进行相关报道之后?

相对于传统碳负极材料,Co3O4与CoO表现出很高的容量(约为传统碳的2-3倍),其

理论容量分别为892和716mAh/g?反应机理如下所示:

Co3O4+8Li++8e-?3Co + 4Li2O (1-10)

CoO + 2Li+ +2e-?Co + Li2O (1-11)

其中Co3O4因比容量高而受到更多的关注,虽然Co3O4的理论容量很高,但其

导电性差,并且在不断的循环过程中会出现体积的巨大变化,材料的结构会发生改变,甚至坊塌?需对Co3O4进行改性从而达到更好的实际应用?目前主要的改性方法有:

合成特殊结构的Co3O4纳米材料,如纳米线?纳米管?纳米针?纳米片等[29-32]?以及与碳材料(石墨?碳纳米管?石墨稀等)进行复合[33-35]?Chen等人[36]通过球磨法

和煅烧法分别合成了 Co3O4纳米颗粒以及纳米棒,表现出优异的电化学性能?Yan等人[37]通过化学沉淀法制备钴的前驱体,后在空气气氛下进行锻烧得到多孔Co3O4

纳米笼状物,循环30次后可逆容量依旧高达970 mAh/g人表现出良好的循环稳定性?

3.2猛的氧化物

猛因具有廉价?资源来源广?无毒等特点引起了广泛研究?猛的氧化物主要有MnO, MnO2, Mn2O3和 Mn3O4,其中 MnO 理论比容量达 756 mAh/g, Mn3O4为

936mAh/g,其反应机理如反应式1-9所示,可计算得出MnO2的理论比容量高达1233 mAh/g,尽管具有很高的理论容量,但是MnO2向金属Mn单质的转变过程需要克服很

大的热力学势垒,反应不容易进行,这大大限制了 MnO2材料的实际应用?与其他过

渡金属氧化物类似,猛的氧化物也面临着导电性差?体积膨胀与收缩大的问题,从而

导致循环性能差?一般通过对材料进行改性来提高其电化学性能的稳定性,其中主要

包括合成多孔结构材料?与碳材料进行复合等?Deng等人[38]通过热分解MnCO3得到多孔的Mn2O3微球,其表现出优异的电化学稳定性,在循环50次后比容量仍然能够保持796 mAh/g?Wang[39]等人合成石墨稀与Mn3O4的复合材料,其比容量约为900mAh/g,几乎与其理论容量接近?Reddy等人[40]通过AAO模板法合成MnO2/C同轴纳米管阵列,其表现出优异的循环性能?

3.3铁的氧化物

铁的氧化物负极材料主要有FeO?Fe3O4和Fe2O3,其理论比容量分别为

744?922?1007mAh/g?其对锂反应式如下:

FeO+ 2Li++2e-?Fe + Li2O (1-12)

Fe3O4+8Li++8e-?3Fe + 4 Li2O (1-13)

Fe2O3+6Li++6e-?2Fe+3 Li2O (1-14)

其中Fe2O3因其具有比容量高?稳定性高?环境友好等特点而被广泛研究?但是,Fe203作为半导体,其导电性差,电子传递速度慢,加上在充放电过程中会出现材料聚集的现象,这使得多数的Fe2O3材料的循环稳定性都比较差,对于改善Fe2O3材料的循环性能的方法主要有两类,其一为合成不同特殊形貌的Fe2O3材料,如:纳米管,纳米片,纳米胶囊等?另一种方便?有效的改性方法为与碳材料进行复合?Reddy 等人[41]通过热处理的方法在铜箱上合成α- Fe2O3纳米片,作为锂离子负极材料表现出优异的循环性能,在65 mA/g电流密度下循环80次容量几乎没有衰减,保持在约700 mAh/g?Zhao等人[42]通过水热法合成单壁碳与Fe2O3;复合材料,其表现出极好的循环性能和倍率性能,在1 A/g大电流密度下可逆容量依旧可以保持约为680mAh/g?

3.4镍的氧化物

NiO的储锂机理中一般认为NiO与Li反应,转化为Ni纳米颗粒和Li2O,其理

论比容量可达718 mAh/g,反应式可表达如下:

NiO + 2Li+2e-?Ni+Li2O (1-15)

虽然NiO具有较高的比容量,但是由于其导电性差,不利于电子的迁移和离子

的扩散,造成NiO材料在首次循环中出现较大的不可逆容量损失(约为35%),加上在循环过程中的巨大体积变化,从而使得材料的容量衰减很快,导致循环性能差的缺点?近些年来人们采取一系列方法来对NiO材料进行改性,其中主要包括:与碳材料进行复合?合成具有纳米结构的NiO材料?Qian等人[43]通过超声方法合成石墨稀与3D NiO复合材料,其表现出优异的循环性能,在200mA/g电流密度下循环50次可逆容

量依旧高达1065 mAh/g?Wei等人[44]通过溶剂热法合成NiO/C杂化微球,极大的改善了 NiO材料的循环稳定性,在电流密度为387 mA/g下循环20次可逆容量仍可以维持在400 mAh/g左右?Wang等人[45]通过热处理方法在泡沫镇上生成三维多孔NiO材料,表现出优异的循环性能,在0.2 C倍率下循环30次可逆容量可保持在540 mAh/g

3.5铜的氧化物

铜的氧化物也是过渡金属氧化物中的主要一员,研究较多的有CuO和Cu2O,其理论容量分别为674mAh/g和375mAh/g?与前面叙述的氧化物类似,铜氧化物也面临着首次不可逆容量损失大,循环性能差等缺点?目前,对铜氧化物材料进行了大量的改性工作,主要的改性方法包括制备不同形貌纳米材料,与碳材料进行复合等?Sun

等人[46]通过阴极极化的方法在Cu片在合成一维针状CuO材料,用于锂离子电池负极材料,在2C电流密度下循环100次可逆容量依旧能保持在583.1 mAh/g,在15和20 C大倍率电流密度下容量分别为545.9和492.2mAh/g?表现出良好的循环性能和极好的倍率性能?Wang等人[47]通过简单的溶液法合成CuO/石墨稀的复合物,在65 mA/g电流密度下循环100次可逆容量依旧可保持在600mAh/g,即使在600mA/g高电流密度下其比容量依旧可达150mA/g?

4 3d过渡金属氧化物负极材料的改性

虽然过渡金属氧化物具有超高的理论容量,大多数都在700 mAh/g 以上?但是3d过渡金属氧化物一般都为半导体材料,其导电性都比较差,而且在反应过程中生

成的惰性Li2O进一步导致材料导电性的恶化,从而阻碍材料的电子导电与离子扩散,产生电化学反应动力不足等缺点;并且,过渡金属氧化物在与锂发生反应过程中会产生很大的体积膨胀,这会产生较大的应力,导致活性颗粒的粉化,使得活性材料在不断的充放电过程中慢慢的与集流体等失去电接触,同时由于体积出现巨大膨胀,从而将导致纳米粒子产生电化学团聚现象,进而丧失电化学活性?这些因素导致3ci过渡金属氧化物的循环性能差?目前对过渡金属氧化物的研究主要集中于对其的改性,改性措施主要分为纳米化与复合化这两类?

其中纳米化结构包括零维的纳米颗粒,一维的纳米棒?纳米管?纳米带?纳米线?纳米针,二维的纳米片?纳米小板等[36,37,41,46,48]?这些结构具有许多独特优势: 1.可以促进电子电导和缩短锂离子的传输路径;2.可以有效的增加电解液与电极的接触面积;3.纳米材料可以诱发新的储锂机制;4.能有效缓解充放电过程中的体积变化?实践也证明这种纳米化结构过渡金属氧化物材料具有优异的循环性能?

Bruce等人[49]以SBA-15为模板通过化学沉淀法制备了介孔Co3O4纳米线,

在100 mA/g电流密度下循环60次可逆容量依旧保持在约800mAh/g,表现出极好的循环稳定性?Zhu等人[50]通过水热法在Ni基片上合成Co3O4纳米棒阵列,其在1 C 倍率下循环20次可逆容量仍高达1000 mAh/g,具有优异的循环性能?

复合化主要体现在与碳材料的复合,其中碳材料的来源主要有无定型碳?碳纳

米管?碳纳米纤维?石墨稀等[18,21,35,43,44,47]?与碳复合是一种非常有效的改性方法,这些碳材料一方面可以提高活性物质的电子电导率?另一方面,碳材料一般表面积都比较大,这样可以有效的缓解活性物质在充放电过程中的体积变化?除此之外,碳材料本身也可以进行储锂?目前,与碳材料进行复合作来改善过渡金属氧化物材料的循环性能引起了人们的极大关注,特别是继石墨稀发现之后,全球掀起了一股以石墨稀与过渡金属氧化物进行复合的热潮?Yang等人[51]通过超声法合成CoO量子点

与石墨稀的复合物,其量子点尺寸为3-8 nm,作为锂离子电池负极材料,在50mA/g 密度下循环50次可逆容量仍高达1600mAh/g,即使在1A/g这样大电流密度下可逆容量依旧可达l000mAh/g人其表现出极好的循环性能与倍率性能,主要归因于石墨烯可以极大提高CoO导电性,同时石墨稀较大的比表面积(约为2630 m2/g)可大大缓解CoO在充放电过程中的体积膨胀问题?Wang等人[52]通过水热法合成CoO纳米棒与碳纳米管的具有核壳结构的复合材料,表现出良好的循环性能,在电流密度高达3580 mA/g循环200次可逆容量还可保持730 mAh/g?Wang等人[53]通过原位还原法合成MnO/C复合材料,在200 mA/g电流密度下循环40次可逆容量依旧保持在600 mAh/g人展现了优异的循环性能?

另外,合成具有多孔结构(复合)材料也可以有效的改善过渡金属氧化物的循环性能,这些多孔结构可以有效缓解材料在充放电过程中的体积变化,提高材料的循环稳定性[29,31,38];同时多孔结构可以增加电解液与电极材料的接触面积,为电化学反应提供更多的反应点,有利于电化学反应的快速进行,从而增强倍率性能?Zhou等人[54]通过水热法合成介孔Fe3O4/C微胶囊复合材料,在186 mA/g电流密度下循环50次可逆容量可达800 mAh/g,具有优异的循环性能?Chen等人[55]通过水热法在Cu片上合成具有多孔结构的Co3O4纳米针材料,其首次放电容量可达到1600mA/g,在0.5 C倍率下循环20次可逆容量依旧保持在800mA/g?Huang等人[56]通过水热法在Ti片上生长CoO多孔纳米线,在716 mA/g电流密度下循环20次可逆容量还可保持约为700 mA/g?

目前,对于过渡金属氧化物的改性方法趋向于综合化,通过简单易行?能耗低的方法来对材料进行改性是未来的方向?

5总结与展望

综上分析,3d 过渡金属氧化物MxOy负极材料具有很高的可逆容量,较好的倍率性能,同时,也具有首次放电容量损失大?循环稳定性差的缺点?研究者已采用各种方法进行掺杂包覆,提高MxOy的导电率,抑制纳米颗粒的团聚,改善其电化学性能,并取得了良好的效果?总之,将MxOy负极材料结构化( 空心?核壳?多孔等) ,发挥微

米?纳米结构的优势,做成微/ 纳米复合材料,或者将MxOy与其他功能材料复合,克

服MxOy的缺点,发挥多组分优势,做成多元复合材料,是制备高性能3d 过渡金属氧

化物MxOy负极微/ 纳米材料的发展趋势?相信随着研究的不断深入,3d 过渡金属氧化物负极微/ 纳米材料会有更好的应用前景?

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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

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/ee13660900.html,ki.issn1001-1625.2015.04.018

硅碳材料是最有潜力的锂电池负极讲课教案

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膜的生长情况不一样,碳包覆的SEI膜就明显减少,没有包覆的SEI膜就有很多。

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。

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

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

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。

锂离子电池硅碳负极材料研究进展

第45卷第10期2017年10月 硅酸盐学报Vol. 45,No. 10 October,2017 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY https://www.360docs.net/doc/ee13660900.html, DOI:10.14062/j.issn.0454-5648.2017.10.21 锂离子电池硅碳负极材料研究进展 沈晓辉,范瑞娟,田占元,张大鹏,曹国林,邵乐 (陕西煤业化工技术研究院有限责任公司,西安 710100) 摘要: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。硅和碳复合构成的锂离子电池复合负极,不但解决了充放电过程中硅体积效应大和碳容量低的问题,而且综合了碳循环性好和硅容量高的特点。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,并对硅碳复合负极未来发展方向进行了展望。 关键词:锂离子电池;硅/碳复合材料;复合结构 中图分类号:O646 文献标志码:A 文章编号:0454–5648(2017)10–1530–09 网络出版时间:2017–07–14 11:38:49 网络出版地址:https://www.360docs.net/doc/ee13660900.html,/kcms/detail/11.2310.TQ.20170714.1138.009.html Development on Silicon/Carbon Composite Anode Materials for Lithium-ion Battery SHEN Xiaohui, FAN Ruijuan, TIAN Zhanyuan, ZHANG Dapeng, CAO Guolin, SHAO Le (Shaanxi Coal Chemical Industry Technology Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710100, China) Abstract: Silicon is considered as one of the most promising materials for the next generation Li-ion batteries to replace widely-used graphite anode materials due to its high capacity, abundant source and environmental friendly. Si/C composite anode materials construct from silicon and carbon for Li-ion batteries, and can not only solve the big volume varaition of silicon and the low capacity of carbon in charge-discharge process, but also integrate the good cycle performance of carbon with the high capacity of silicon. This review summarized recent developments on novel Si/C composites based on the material selection, complex structure and electrode optimization. In addition, the future aspects of developing Si/C composite materials were also prospected. Keywords: lithium ion battery; silicon/carbon composite materials; complex structure 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。然而,现有的以石墨为负极的锂离子电池技术已经接近极限。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350 W·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3 572 mA·h/g,远高于商业化石墨理论比容量(372 mA·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 收稿日期:2016–11–18。修订日期:2017–04–02。第一作者:沈晓辉(1988—),女,硕士生。 通信作者:邵乐(1985—),男,博士生。Received date:2016–11–18. Revised date: 2017–04–02. First author: SHEN Xiaohui(1988–), female, Master candidate E-mail: shenhui06@https://www.360docs.net/doc/ee13660900.html, Correspondent author: SHAO Le(1985–), male, Ph.D. candidate. E-mail: shaole@https://www.360docs.net/doc/ee13660900.html,

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/ee13660900.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

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