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.

LA132黏结剂和SWCNTs协同改善硅碳负极的电化学性能

硅基负极由于其高容量,被认为是下一代锂离子电池的理想候选材料。然而,硅本征的低导电率和在循环过程中的大体积变化将不可避免地导致循环稳定性变差。将硅氧材料与石墨混合,添加单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes,SWCNTs)得到SiO/G复合电极并与传统的黏结剂体系进行对比,探究LA132黏结剂与SWCNTs之间的协同效应。SWCNTs的引入大大提高了SiO/G复合负极的电化学性能。当SWCNTs添加比例为0.04%时,SiO/G-5表现出良好的充放电性能,其可逆容量达到616.90 mAh/g,并且具有良好的抗膨胀和循环稳定性,其性能优于传统黏结剂体系。

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%。

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。

固定床法制备锂离子电池硅碳负极材料及其储锂性能研究

以导电炭黑为碳基底,以SiH_(4)为硅源前体,采用固定床CVD反应器制备锂离子电池硅碳复合负极材料。分别考察了SiH_(4)单独沉积及其与C_(2)H_(4)共沉积两种方案,并研究了以C_(2)H_(4)为碳源碳包覆对样品储锂性能的影响。实验结果表明,SiH_(4)单独沉积会形成尺寸较小的Si纳米颗粒,且随沉积温度提高,Si的负载量降低。SiH_(4)和C_(2)H_(4)共沉积过程会形成C@SiC复合结构,且随C_(2)H_(4)比例增加,单质硅的结晶度和晶粒尺寸降低。在硅碳共沉积和碳包覆条件下,则会形成Si、SiC和C三种晶体共存复合结构,有助于提高样品材料的循环性能,但比容量明显下降。

全氟电解液与硅碳负极的副反应及改性策略

氟代碳酸乙烯酯(FEC)是锂离子电池常用的添加剂,可改善长循环稳定性,但在电解液中添加的质量分数大于10%时,会导致电池严重产气,带来安全隐患并影响电池寿命。以1 mol/L二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)/FEC为基础电解液,研究在SiO_(x)/石墨(Si/C)负极表面的产气和界面副反应,并引入聚氨酯(PU)来缓解Si/C负极与电解液之间的界面副反应。FEC会在负极表面发生持续分解,并生成CO_(2)和H_(2)。在电解液中加入PU后,Si/C负极的体积膨胀得到抑制,可抑制固体电解质相界面(SEI)膜的破裂与重建,减少FEC与负极的接触,从而缓解界面副反应,改善电解液的电化学性能。Li|Si/C电池以0.5 C倍率在0.001~1.500 V可稳定循环200次,容量保持率为74.98%。

高炉渣提取硅制备高性能锂离子电池硅碳负极材料的研究

以高炉渣中提取的硅材料BFSi为硅源、聚丙烯腈(PAN)为碳源制备锂离子电池硅碳负极材料,研究了硅与聚丙烯腈的配比对BFSi@C材料电化学性能的影响。结果表明:BFSi与PAN质量比3∶1时制备的BFSi@C样品在0.5 A/g电流密度下初始充电比容量为1884.99 mAh/g,经过100次循环后,充电比容量仍有1509.32 mAh/g,容量保持率为80.07%;在高电流密度下,BFSi@C材料表现出优异的倍率性能。与商业硅材料相比,BFSi@C具有更高的循环容量和更好的倍率性能,在5 A/g电流密度下比容量高达538.31 mAh/g。

硅碳负极材料的维度设计、制备及在锂离子电池中的应用

硅具有极高的理论容量、较低的电压平台和丰富的自然资源,是最有潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料之一。但其电导率低,循环过程中体积变化大,难以直接作为负极材料。硅碳复合材料结合了硅的高比容量和碳的高电导率,同时确保电极的结构完整性。从维度结构、复合材料、应用性能等方面综述了近年硅基负极材料的研究进展,并对硅基材料面临的问题进行了简要总结,对其作为锂离子电池负极的研究前景进行展望。

壳聚糖基自交联粘结剂的合成及其在硅碳负极中的研究

首先以壳聚糖为起始原料,通过羧甲基化处理,显著提升了其水溶性。随后,利用LiOH进行预锂化,并引入双丙酮丙烯酰胺(DAAM)和乙二酸二酰肼(ADH),成功制备了具有出色自交联性能的粘结剂CDD-Li^(+)。为了探究这一粘结剂的结构特性,采用了傅里叶变换红外光谱(FT-IR)技术进行了表征。在粘附性方面,通过180°剥离实验,验证了CDD-Li^(+)的强粘附能力。利用电化学工作站对电池进行了循环伏安曲线的测试。结果显示,CDD-Li^(+)粘结剂所制备的电池能够发生高效的电化学反应,展现出卓越的电化学性能。与常用的聚丙烯酸(PAA)粘结剂相比,CDD-Li^(+)粘结剂在电化学性能上表现更为出色,展现出其在电池领域上的巨大潜力。通过蓝电电池测试仪,进一步研究了电池的倍率性能、循环性能以及锂离子扩散系数,并计算了电池的首圈库伦效率(ICE)。结果显示,CDD-Li^(+)粘结剂制备的电池不仅拥有更优的倍率性能和循环性能,其锂离子扩散系数平均高达10-10数量级,ICE也高达95%。与PAA粘结剂相比,CDD-Li^(+)粘结剂在硅碳负极中展现出更优秀的性能。

功能化壳聚糖基聚合物粘结剂在硅碳负极中的性能研究

以壳聚糖为基石,巧妙地引入羧基以提升其水溶性,并进一步接枝苯硼酸基团与羟基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS–OH)进行交联,成功制备出具有三维网状结构的聚合物粘结剂(CFPO)。这一创新设计不仅使粘结剂的水溶性得到显著提升,还增强了其与活性物质之间的相互作用,从而在电池循环过程中实现了更高的稳定性。此外,引入的柔性链段PDMS为锂离子的传输构建了高效通道,而接枝的苯硼酸基团中的硼元素则有助于锂离子的去溶剂化,进一步加速了锂离子的传输。因此,该粘结剂赋予电池卓越的锂离子扩散系数(充放电锂离子扩散系数均达到3.98×109),使电池在高电流密度下仍能维持优异的比容量,显著提升了电池的倍率性能,并实现了高达96.27%的首圈库伦效率。凭借其强大的粘结强度和高锂离子扩散系数,本研究所制备的粘结剂在硅碳负极中表现出色,为电池在高倍率循环时提供了快速且稳定的性能保障,因此,这种CFPO粘结剂无疑是硅碳负极中的杰出之选。

压实密度对锂离子电池硅碳负极性能影响研究

研究了涂层压实密度分别为1.2、1.4、1.6 g/cm^(3)的硅碳负极性能,并且总结了压实密度对硅碳负极性能影响的规律。随着涂层压实密度提高,电池传荷阻抗降低,硅碳负极锂离子电池的5C倍率放电容量增大。同时,增大负极压实密度能够提高硅碳负极材料的循环稳定性,从而提高电池循环寿命和平均库伦效率。另一方面,由于压实密度越高,负极内部孔径及孔隙度越小,电解液对活性物质浸润程度越差,极片涂层中活性物质的活性位点就越少。因此,在0.1C和1C倍率条件下首次循环放电容量(或比容量)和库伦效率随负极压实密度增加而降低。

浅述锂离子电池硅碳负极材料复合结构

硅基材料作为最具发展前景的锂离子负极电池材料之一,其具有较高的理论比容量和优异的快充性能,符合目前新能源汽车的发展需求。但由于其在充放电的嵌脱锂过程中体积发生严重膨胀,使得电极材料结构被破坏,继而出现粉化脱落现象,制约了该材料的商业化应用。有学者提出若将碳和硅2种材料复合,即可得到容量高、导电性能和循环性能佳的负极材料。笔者先分析了硅基负极的储锂机制,对硅碳负极复合材料的核壳结构、蛋黄壳结构、多孔结构、嵌入结构4种结构设计进行了简单总结,并针对不同结构的特点进行分析。最后对硅碳负极复合材料未来的研究及低成本的产业化发展进行展望。

压力诱导下的硅碳负极锂离子电池的体积膨胀与容量衰减分析

硅碳负极锂离子电池在充放电过程中会产生明显的体积膨胀,且随着电池老化状态的加剧,其不可逆膨胀的持续累积会引发一系列的安全问题。文章研究了两种不同硅含量的硅碳负极锂电池在长循环下的体积膨胀与容量衰减,发现硅含量越高,电池内部的副反应产物积累越明显,进而使得电池的体积膨胀明显增大,并加速电池的容量衰减。此外,对同组电池进行不同外压力下的循环测试表明,电池在50~100kg的外压力区间内进行循环充放电时,其容量衰减速率是最慢的,这也为科研人员提供了改善硅碳负极锂电池循环寿命的思路。

锂离子电池硅碳负极用壳聚糖粘结剂的性能研究

研究了壳聚糖(CS)粘结剂在锂离子电池硅碳负极中的性能。通过XRD、红外光谱和SEM表征粘结剂和电极的结构与形貌,测试了粘结剂的剥离强度,通过电化学性能和电极动力学比较了壳聚糖与聚偏氟乙烯(PVDF)作为粘结剂对硅碳复合材料电化学性能的影响。结果表明:CS粘结剂和PVDF粘结剂极片剥离强度分别为10.5和7.6 N/m,水溶性高分子CS粘结力更强;CS、PVDF作为硅碳负极粘结剂首次可逆比容量分别为572.4和568.3 m Ah/g,首次库伦效率分别为78.4%和79.5%,50次循环后容量保持率分别为72.3%和65.8%。与PVDF相比,CS更适合应用于锂离子电池硅碳负极材料中。

锂离子电池硅碳负极材料的结构设计研究进展

硅基材料具有理论比容量高、资源丰富等优点,然而硅基负极材料在锂化过程中面临体积膨胀、活性物质破碎粉化、电极材料与集流体分离以及导电性较差等问题。综述了硅碳负极材料的锂化机理及性能衰退原因,介绍了硅碳材料核壳结构、蛋黄壳结构、夹层结构及三维结构等结构设计研究进展及存在的问题,在此基础上对开发制备更简单、更可靠、成本更低的硅碳材料及其三维结构设计进行了展望。

免黏合剂硅碳负极材料的制备

采用球磨与后烧结处理工艺,以光伏产业废硅粉为原料,白糖为碳包覆材料,在球料比1∶1下球磨30 h, 800℃下烧结2 h,制得纳米级硅碳材料。将该材料与二氧化钛、碳纳米管混合,制得锂离子电池用免黏合剂硅碳负极材料。以0.5 C的电流在0~2 V充放电,该材料的首次放电比容量达到713 mAh/g,第100次循环时仍保持在522 mAh/g。

硅碳负极材料及其粘合剂研究进展

硅碳复合材料是锂离子电池负极未来发展的重要方向,其制备的硅碳负极是有助于实现高容量、高续航能力的重要新型负极材料,而用于硅碳负极的高性能粘合剂也是锂离子电池研究的一大热点。本文概述了硅碳负极材料的制备方法及其分类,总结了目前硅碳负极粘合剂类型、制备方法以及对锂电池电性能的影响。

碳纳米管导电剂对硅碳负极锂电池性能提升的探索

锂离子电池已被广泛用于小型消费类电子、动力汽车和大型储能电网中。硅负极由于具有更高的比容量,是下一代锂离子电池最优选的负极。然而,硅材料较大的体积膨胀以及由此带来的颗粒粉化、材料与集流体剥离和不稳定的SEI阻碍了其大规模应用的进程。本试验以具有高电导率并且易形成导电网络的碳纳米管(CNTs)为导电剂,显著提升了电池的循环寿命(500周之后的容量保持率为92%)。通过微分电化学曲线、交流阻抗谱(EIS)、直流内阻(DCIR)、SEM和XPS测试分析发现,CNTs有助于解决氧化亚硅负极在循环初期由于导电性差导致的容量衰减问题,以及能够改善界面的稳定性,提升电池的综合性能。可以预见的是,CNTs对于提升其他电极材料的性能也会有一定的积极作用。

锂电池硅碳负极材料的研究进展

随着电动汽车的普及和相关市场日益拓展,高能量密度的动力电池研究成为目前攻下能源领域科技制高点的关键。在锂电池正极材料趋于一致的情况下(三元材料或者磷酸铁锂),有效增大负极材料的比容量,是提高整体电池能量密度的有效手段。从时间维度来讲,工业化锂电池负极经历了碳、钛酸锂、硅基材料三代产品。目前,为了进一步提高电池的综合性能,满足电动汽车更长的行驶里程需求,理论比容量高的硅负极材料成为科研院所和能源企业的研究重点。

锂离子电池硅碳负极材料的制备及电化学性能研究

以稻壳为硅源,通过镁热还原法制备得到硅粉。以制备的硅粉为基础,通过分散、煅烧的方法制备了锂离子电池硅/石墨、硅/无定形碳、硅/石墨/无定形碳、硅/石墨/碳纳米管/无定形碳负极材料,并评价其电化学性能。实验制备的硅/石墨/碳纳米管/无定形碳负极材料具有较优异的电化学性能。该材料硅质量分数为20%时[m(石墨)∶m(无定形碳)=1∶1,碳纳米管质量分数为1%],R_(ct)值为109Ω,在200 m A/g电流密度下首次放电比容量为785.5 m Ah/g,充放电20次后比容量为645.4 m Ah/g,其容量保持率为83.65%。