化学气相沉积法在锂离子电池硅/碳负极中的应用

在众多锂离子电池负极材料中,硅由于其超高的理论容量(4200 mA·h·g^(-1)),被认为是下一代高能量密度电池最有前途的负极材料。然而,硅基材料在循环中较大的体积效应,限制了其电化学性能的发挥,并极大地阻碍了其实际应用。研究表明,硅/碳复合负极材料能够有效缓解硅的体积膨胀,提升导电性,从而提高硅基负极的稳定性和电池的循环寿命。然而,实现高稳定性的批量生产仍然是一个巨大的挑战。由于化学气相沉积法(CVD)可以实现高质量沉积,且工艺简单,因此在制备硅/碳负极材料中得到广泛应用。从沉积硅、沉积碳和沉积硅/碳三个方面展开综述了化学气相沉积法在锂离子电池硅/碳负极中的应用,重点介绍了其设计策略和电池性能。最后,给出了硅基负极的发展趋势和应用前景。

磷掺杂硅碳负极材料的制备及性能研究

以微米硅粉为基体,通过固相热扩散法与高温热解法制备了磷掺杂的硅碳复合材料(Si-P@C),并用于锂离子电池负极材料。结果表明:Si-P@C负极材料在电流密度0.2 A/g下的首次放电比容量达2 164 mAh/g;与纯硅相比,循环性能得到较大改善,在电流密度0.5 A/g下循环50次后可逆比容量仍有1 176 mAh/g,容量保持率73.5%。磷掺杂和碳包覆可有效地提高硅负极的电子转移能力和反应动力学。

表面包覆碳层孔隙对石墨负极材料倍率性能的影响

为了研究表面包覆碳层孔隙对石墨负极材料倍率性能的影响,引入少量硼酸,在包覆沥青软化阶段形成硼酸气化逸出效应,再通过碳化工艺在天然石墨尾料表面形成具有一定孔隙的包覆碳层,得到具有不同比例孔隙的石墨负极材料。结果表明,硼酸在材料颗粒表面形成了含有孔隙的碳层,其孔隙类型为介孔和大孔;表面碳层中的介孔比例越高,碳层L_(C)中形成Li^(+)的扩散通道数量越多,Li^(+)的扩散阻抗越低,材料倍率性能及循环性能得以改善。

C/Sn复合薄膜的磁控溅射制备及其作为锂离子电池负极材料的电化学性能

采用磁控溅射的方法在铜箔上制备了C/Sn复合薄膜并将其作为锂离子电池负极材料,研究了C/Sn复合薄膜中Sn质量分数对其电化学性能的影响。研究发现,随着复合薄膜中Sn质量分数的增加,其首圈放电比容量增加,在一定范围内增加Sn质量分数,首圈库仑效率增加,但当Sn质量分数过多时其库仑效率降低。Sn质量分数分别为89.20%、91.61%、93.85%、95.81%的四种复合薄膜,在电流密度为500 mA/g时的首圈放电比容量分别为1195.4、1372.97、1574.86、1642.30 mA·h/g,首圈库仑效率分别为86.84%、87.88%、94.06%、80.66%。循环200圈后,四种复合薄膜的比容量衰减率分别为0.70%、6.13%、11.32%、18.88%。研究结果表明,当复合薄膜中Sn质量分数为89.20%时,其具有最优的倍率性能和循环稳定性能,随着复合薄膜中Sn质量分数的增加,其倍率性能及循环稳定性变差。

Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)固态电解质负极界面研究进展

石榴石型固态电解质锂镧锆氧(Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12),LLZO)具有高达5 V的宽电化学窗口,在固态电解质体系中,与金属锂负极具有良好的匹配性,使其有望成为下一代高能量电池。但LLZO与电极界面的稳定性问题极大地限制了其实际应用。本文从金属锂负极特性、LLZO电解质特性、LLZO/Li界面接触三个方面对LLZO/Li界面的稳定性问题展开分析,阐述界面稳定性的根源,同时对界面优化方法进行总结,提出LLZO/Li负极界面发展应注意的问题。

硅氧负极材料包覆工艺对电池性能的研究

为提高电池能量密度,需要使用高容量的硅-石墨混合负极材料。通过改变硅负极材料制备工艺,采用CVD法包覆及沥青包覆对硅负极表面进行碳包覆,并对材料进行物性测试、极片测试及电化学性能分析。结果表明:通过气相CVD法包覆的碳层包覆完整,体现出“绒状”结构的负极材料,其极片测试及电池的循环性能更为优异。在0.5 C充/1 C放制式下经过800次循环,容量保持率达到73.9%,循环性能优于沥青包覆的负极材料性能。

黄铜集流体在无负极锂金属电池中的应用研究

虽然无负极锂金属电池(AF-LMBs)具有能量密度高、结构简单等优势,但是金属锂在负极集流体界面不可逆的沉积/剥离过程以及与电解液之间的副反应会大量消耗电池中有限的活性锂,导致电池容量迅速衰减。开发高性能的负极集流体是提升AF-LMBs循环寿命的有效策略之一。因此,本文研究了商业黄铜箔(F-Cu-Zn)作为负极集流体在AF-LMBs中的电化学性能,并且结合多种表征技术揭示了F-Cu-Zn电极在循环过程中的结构演变。结果表明:与商业铜箔(F-Cu)相比,F-Cu-Zn含有丰富的亲锂位点,诱导金属锂均匀成核与生长,所组装的Cu-Zn||NCM712软包全电池的室温循环寿命从75次增加至117次。此外,F-Cu-Zn电极中的Zn元素会在循环过程中不断溶解,最终在电极表层形成三维多孔结构。

光伏硅弃料制备锂离子电池硅负极的性能

纯硅的导电性差,且纳米化、非晶化技术成本高。光伏行业用硅的产业化程度高、导电性好,弃料可在锂离子电池硅基负极实现再利用。以光伏硅弃料为原料,采用机械球磨法制备纳米硅和非晶/纳米硅材料。制备的材料均具有较高的可逆比容量和稳定的循环性能,以0.2 C在0.005~0.900 V循环100次,纳米硅剩余的比容量为2 123.32 mAh/g,非晶/纳米硅剩余的比容量为1 367.70 mAh/g。

硅藻土衍生硅碳负极材料的制备及其储锂性能研究

本文以管状和盘状两种天然硅藻土作为初始原料,制备了一系列硅藻土衍生硅碳负极材料,并采用X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X-射线光电子能谱(XPS)等测试手段系统表征了所制备样品的晶体结构、微观形貌及化学组成.将制备的硅藻土衍生硅碳负极材料作为活性物质组装为锂离子电池,对比了管状和盘状两种形貌对其储锂性能的影响,并详细考察了沥青衍生碳包覆层的加入量对硅碳负极材料比容量及循环稳定性的影响.测试结果表明,样品管DE-1∶3和管DE-1∶6在0.2 A g^(-1)较低电流密度下均具有较好的容量保持率,循环500次之后比容量分别可保持443 mAh g^(-1)和414 mAh g^(-1),而样品管DE-1∶6则在0.5 A g^(-1)较大电流密度下具有更好的结构稳定性.

Sb_(2)S_(3)/石墨烯负极材料的制备及其储钠性能研究

钠离子电池(sodium-ion batteries,SIBs)具有成本低的潜在优势,有望成为替代锂离子电池(lithium ion batteries,LIBs)的储能设备。为提升钠离子电池的性能,开发出适应钠离子脱嵌的负极材料尤为重要。硫化锑(Sb_(2)S_(3))因其理论比容量高被认为是较好的钠离子电池负极材料。本文使用简单水热法将Sb_(2)S_(3)与石墨烯复合,制备Sb_(2)S_(3)/石墨烯复合材料(Sb_(2)S_(3)/Gr)。结果表明:Sb_(2)S_(3)/Gr作为钠离子电池负极时,不仅表现出良好的电导率(3.5×10~(-3)S/cm)和钠离子扩散速率(4.853×10~(-13)cm~2/s),而且在0.5 A/g的电流密度下,首圈库伦效率为76.27%,经150次循环后的比容量稳定在488 m A·h/g,表现出较高的比容量。Sb_(2)S_(3)/Gr复合材料表现出了极大的应用潜力,为高性能钠离子电池负极材料的研发提供了一定的参考价值。

锂离子电池负极材料银纳米线的锂化机制

为了探究银纳米线在不同工作电压下的锂化机制,借助原位透射电子显微镜的高分辨技术和电子衍射技术,研究了在不同的工作电压条件下,银纳米线在锂化过程中的相变过程和形貌变化。结果表明:金属银用于电池负极材料时,其工作电压对电极材料的活性有较大影响;银在低工作电压下的储锂量大,电极材料不易失效;当工作电压为-1 V时,Ag纳米线在储存锂离子过程中会先变成LiAg相,无明显体积形变;后续随着锂化时间增加,Li_(x)Ag合金中x>1时,纳米线粉碎化,生成Li3Ag、Li9Ag4相;当外加的电压为-2 V时,锂离子会快速在纳米线表面运输并与Ag发生反应,导致纳米线破碎。

氮掺杂碳包覆负极材料的研究进展

传统的沥青碳包覆石墨负极材料已经无法满足市场对锂离子电池在能量密度、充电、安全性等方面提出的更高要求,而氮元素掺杂可以调控碳包覆层的界面结构,提升负极材料的电化学性能,受到广泛关注和研究,且氮掺杂碳包覆是在当前的负极材料产业链条件下最具潜力和最容易实现产业化的改性方式之一。因此,本文从氮掺杂碳的结构特征及氮掺杂碳包覆负极材料两方面进行了综述,并对氮掺杂碳包覆的未来进行了展望,以期为其产业化发展提供参考。

乙炔黑包覆的铅及其氧化物复合材料对铅酸电池负极性能的影响

铅酸电池负极析氢问题和硫酸盐化问题是限制铅酸电池性能的主要因素,大量的研究集中在负极的添加剂上。本文以乙炔黑包覆的铅及其氧化物形成的复合材料作为铅酸电池负极添加剂,研究其对铅酸电池性能的影响。实验结果表明,加入复合材料的电极,有效抑制了析氢问题,并降低了硫酸盐化现象,延长了其寿命。

原位合成Si/(SiO+Ag)复合负极材料及其电化学性能

将微米Si和纳米Ag_(2)O进行机械球磨,通过原位固相反应合成了Si基复合材料[Si/(SiO+Ag)],以沥青为碳源采用高温煅烧法制备了碳包覆Si基复合材料[Si/(SiO+Ag)-C]。采用XRD、XPS、SEM、TEM对复合材料进行了表征,测试了其电化学性能。结果表明,微米Si和纳米Ag_(2)O在球磨破碎过程中原位形成Si O和Ag颗粒,并附着在基体Si上,两种复合材料都展现出良好的倍率性能,在低电流密度(0.12 A/g)下Si/(SiO+Ag)和Si/(SiO+Ag)-C循环5次后分别表现出1422和1039 mA·h/g的可逆比容量,而在高电流密度(2.40 A/g)下仍能获得672和393 mA·h/g的可逆比容量;当电流密度再次恢复到0.12 A/g时,可逆比容量可恢复到1329和961m A·h/g,Si/(SiO+Ag)-C表现出更好的循环稳定性,经80次循环后可逆比容量仍稳定在943 m A·h/g,其突出的倍率性能归因于微米Si的颗粒细化以及球磨过程中原位反应形成纳米Ag颗粒导电特性,而循环稳定性的提高与原位形成Si O和包覆碳构成的双相缓冲结构有关。

锂离子电池负极材料FeSe/C纳米纤维的制备及性能物理化学综合实验设计

本文设计了锂离子电池负极材料FeSe/C纳米纤维的制备及性能物理化学综合实验。锂离子电池FeSe负极材料具有理论比容量高、资源丰富、环境友好的优点,然而其导电性差、循环过程中体积膨胀大,从而限制了其发展与实际应用。本实验采用静电纺丝结合煅烧制备了FeSe/C纳米复合纤维,采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对材料的结构与形貌进行了表征,采用恒流充放电测试和循环伏安(CV)对材料的储锂/钾性能进行了研究。结果表明,FeSe/C纳米复合纤维具有单一的晶型和独特的一维纳米纤维结构,FeSe纳米颗粒均匀地分布在直径约为200 nm的碳纳米纤维中。650℃下煅烧得到的FeSe/C纳米复合纤维表现出出色的电化学性能。在锂离子半电池中,FeSe/C在1000 mA/g下循环300次后比容量为661 mAh/g,在5000 mA/g下仍表现出335 mAh/g的容量。

锂离子电池负极材料技术现状和发展趋势

锂离子电池在动力电池、消费电子和储能领域应用广泛。负极材料是锂离子电池的重要组成部分,其性能决定了锂离子电池的储能容量、能量密度以及安全性、循环性、倍率性。文中简要概述了锂离子电池的组成和工作原理,归纳总结了负极材料的分类及特点,对石墨负极材料进行了详细介绍,包括其原材料的生产工艺和石墨化过程等,并研判了石墨负极材料的市场需求及技术发展趋势。

无负极锂金属电池的挑战与发展

无负极锂金属电池因极高的理论容量、能量密度和低成本的优势成为学术热点。但由于铜箔的疏锂性和金属锂的高活性,导致了锂沉积/剥离不均匀,从而产生锂枝晶和锂消耗过快等诸多问题,限制了实际应用。对无负极锂金属电池的优势、挑战以及解决方案进行了全面梳理,从修饰集流体、构筑稳定固态电解质界面(SEI)膜、引入补锂技术以及优化电解液四个改进策略进行了详细论述,并讨论了负极侧影响金属锂沉积/剥离的机制、正极额外锂源的优势以及电解液对无负极锂金属电池可逆性的影响,总结了四种策略的优缺点和未来的发展方向。

氧化焙烧预处理对废旧磷酸铁锂电池负极材料回收的影响

为了解决废旧磷酸铁锂电池粉中正、负极材料难浮选分离的问题,采用氧化焙烧预处理磷酸铁锂电池粉,再通过浮选分离磷酸铁锂正、负极材料。结果表明,与未预处理电池粉相比,磷酸铁锂电池粉经500℃氧化焙烧处理30 min后浮选所得负极石墨产品碳品位从47.63%提高至97.70%,正极产品中碳品位由24.00%降至1.01%,分选效果明显增强。未预处理的电池粉表面存在蛛网状长碳链有机物,使得电池正、负极材料发生粘连,浮选分离效果较差;通过氧化焙烧预处理,能有效消除正、负极材料上的长碳链有机物,增强正、负极材料间表面性质差异,强化浮选分离效率,实现废旧磷酸铁锂电池粉中石墨负极材料的回收。

MOF衍生多孔碳基材料的制备及其在锂离子电容器负极中的应用进展

锂离子电容器是一种兼具锂离子电池和超级电容器两者特点的新型功率型储能器件。然而,锂离子电容器电池型负极的动力学要慢于电容器型正极,导致其功率密度低、循环稳定性差等问题。金属有机骨架(metalorganic frameworks,MOF)衍生多孔碳基材料以其大比表面积的多孔结构,以及出色的化学稳定性等优点,成为电化学储能领域的研究热点。本文首先分析了锂离子电容器电极材料面对的挑战,阐述了锂离子电容器的储能机制。随后分析了碳化温度、热处理时间等碳化工艺对MOF衍生多孔碳基材料理化性质的影响,并着重讨论了受碳化工艺影响制备得到的不同产物组分类型。随后总结了MOF衍生多孔碳基材料在锂离子电容器中的应用进展,提出了与其他碳材料进行复合或掺杂改性是实现高功率密度、高能量密度的锂离子电容器负极材料的重要途径,最后对MOF衍生碳基电极材料的发展前景予以展望。

硅碳负极的失效机理与FEC的改善作用

采用含和不含氟代碳酸乙烯酯(FEC)的电解液,研究了一种硅碳材料作为锂离子电池负极的充放电行为,对充放电循环前后的硅碳电极进行了组成和形貌的谱学表征,并通过计算比较了电解液主要成分的还原活性。结果表明:不含FEC的电解液,硅碳负极首次充放电库伦效率低、容量衰减快,这是因为硅碳表面不能形成稳定的SEI,嵌锂后体积膨胀使SEI开裂,电解液持续分解。相反,含FEC的电解液,因FEC比电解液其他组分更容易在硅碳负极上还原,生成含氟的聚合物,形成稳定的SEI,抑制电解液还原分解,并缓冲硅碳负极的体积膨胀,从而显著提高库伦效率和循环稳定性。添加5%的FEC,硅碳负极首次充放电库伦效率从83%提高到86%;添加10%的FEC,0.2 C充放电循环50次后,硅碳负极的容量保持率从28%提高到75%。