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简述锂离子电池硅基负极材料的研究

2020-03-26 07:36:32

锂离子电池是目前应用较为广泛的二次电池系统之一。相关于其他可充电电池,如镍镉、镍氢电池,锂离子电池具有更高的能量密度、更高的工作电压、有限的自放电和更低的维护成本。但目前商业石墨负极无法满足可携式电子设备、电动汽车等储能应用日益上升的能量密度和操作可靠性需求。因此,硅作为新一 代负极材料,引起了学术界和商业界的广泛关注。

一、硅负极材料概述

硅相关于传统石墨材料具有很高的理论比容量,且硅的电压平台略高于石墨,在充电时不易引起表面析锂,安全性能更好。硅是地壳中第 二丰富的元素,丰富的储量使其原料来源充足,价格低廉。但硅作为半导体材料,导电率较低,锂离子的嵌入与脱出会使硅体积发生相对较大的膨胀与收缩,并使材料粉化、结构坍塌,然后脱离集流体,电池循环性能大大降低。目前,通常采用硅负极材料纳米化、复合化和合金化等方法来提高其结构稳定性,改善硅负极循环性能。

二、硅纳米材料

动力电池生产厂家认为为了改善硅基负极材料的循环稳定性,通常将硅材料纳米化,重要研究方向有:硅纳米颗粒、硅纳米线、硅薄膜和3D多空硅等。纳米硅颗粒及其复合材料。将硅颗粒放进不同基质的缓冲层中,通过适应体积膨胀和吸收应力,可以有效提高硅负极的循环性能,特别是碳材料,如石墨、碳纳米管、石墨烯等已被广泛应用于Si/C复合材料。嵌入型硅碳复合材料意味着硅颗粒被嵌入到一个持续的碳基体中,通常基体是持续致密的。因此,锂离子在复合材料中的扩散会受到阻碍。通过调整碳基体的结构和形态可以提高硅基负极的性能。不同类型的碳基体可以为离子和电子供应不同的运输路线,并有利于电解液的润湿。

三、硅合金材料

除了硅纳米材料之外,将硅中加入金属元素也可以有效地改善硅基负极的循环性能。金属与硅形成合金,一方面金属可以减缓体积膨胀;另一方面,电子富集程度新增使锂的嵌入更加容易。但是金属作为非活性物质限制了材料的比容量。目前有Fe-Si、Ni-Si、Cu-Si、Ti-Si等硅合金材料。通过高能球磨方法用金属粉末制备出了Ti-Si和Ti-Si-Al合金,该材料具有良好的循环性能,并且研究了球磨时间对电化学性能的影响。Yin等通过球磨得到了Si-Cu合金,然后进一步添加碳球磨得到了SiCuC复合材料,表现出了比纯硅好的循环稳定性。在硅合金负极机理方面也有相关的研究。固体电解质界面在循环中对硅基负极起到保护的用途,并对硅的体积膨胀也起到了一定的缓冲用途。因此在硅基负极材料的研究与应用中,电解液、粘结剂和溶剂的选择值得深入研究。

虽然硅基负极材料性粉、循环稳定问题已被科研人员深入研究并得到了很好的解决,具有高比容和长寿命,但是还没有实现大规模的商业化应用。几个关键问题,如库伦效率、质量负载密度以及制备成本等要进一步优化处理。粘结剂的选择与改性可能会成为降低成本和商业化的相对较好路径。但要使硅基负极在动力储能等方面发挥出更大更好的价值,仍需科研人员进一步研究与发掘。

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