含硅高比能量锂离子电池循环后氧化亚硅颗粒失效分析

为实现锂离子电池比能量提升,使用硅基材料提升负极的平均比容量是一种常用的方法。其中氧化亚硅由于循环性能优异,已经在动力电池中得到应用。然而氧化亚硅基负极颗粒在充放电过程中体积膨胀收缩率较大,会影响电池的循环寿命。探究硅颗粒在膨胀收缩过程中颗粒的粉化和SEI膜的过渡生长与预紧力的关系,有助于改善含硅高比能体系的循环寿命。通过研究不同应力条件下高比能量锂离子电池循环后硅负极颗粒的失效状态,分析氧化亚硅颗粒失效机理。

钛酸锂/碳双层包覆氧化亚硅基负极材料及其电化学性能研究

通过化学气相沉积和溶胶-凝胶法制备了钛酸锂/碳双层包覆的氧化亚硅基锂离子电池负极材料。电化学测试结果表明,钛酸锂包覆量3%时,负极材料性能较好,在0.2C、0.5C、1C、2C、4C倍率下的比容量分别为1 485.4、1 443.8、1 386.4、1 341、1 276.2 mAh/g,在电流密度750 mA/g下循环150次后比容量为1 138.1 mAh/g。柔韧的碳层可以缓冲内部硅芯的体积膨胀并提高材料电导率,刚性的钛酸锂可以保证材料结构完整性,双壳层协同作用有效提升了电极材料的循环稳定性、倍率性能和可逆容量。

磺化石墨烯包覆氧化亚硅负极研究及应用

采用离心喷雾干燥法在氧化亚硅(SiO_(x))表面包覆磺化石墨烯(SGPE),将包覆后的氧化亚硅负极材料(SGPE-SiO_(x))制作成软包锂离子电池。结果表明,采用包覆了磺化石墨烯的氧化亚硅负极材料制备的软包电池,循环寿命显著提升,循环过程中的阻抗增长率也得到显著抑制,电池的热安全性能也得到显著改善。对循环100次后的负极片进行截面形貌分析可知,磺化石墨烯包覆层可以抑制循环过程中氧化亚硅负极材料表面SEI膜的厚度增长,从未包覆负极的800 nm降低至包覆负极的200 nm。

米粉作为碳源包覆改性氧化亚硅材料的研究

针对氧化亚硅(SiO)负极材料充放电过程中体积膨胀较大、容量衰减较快的问题,采用米粉作为碳源对SiO进行包覆改性。XRD测试结果表明,SiO和糯米粉包覆改性材料SiO-NM均没有显著的特征峰,为非晶体结构。SiO的首次放电比容量为1980.6 mA·h/g,首次充电比容量为891.2 mA·h/g,首次充放电效率为45.0%;糯米粉包覆改性材料SiO-NM的首次放电比容量为942.9 mA·h/g,首次充电比容量为490.4 mA·h/g,首次充放电效率为52.0%,首次充放电效率显著提升。交流阻抗测试结果表明,SiO-NM的电荷转移阻抗R_(ct)为213.7Ω,显著小于Si的465.4Ω,表明材料的导电性能得到提高。

铌钨氧化物掺杂改性氧化亚硅提升首次充放电效率的研究

采用铌钨氧化物(NWO)对SiO进行掺杂改性,并与用五氧化二铌(NO)、钛酸锂(LTO)、钛铌氧化物(TNO)改性的材料进行对比研究,分别记为SiO@NWO、SiO@NO、SiO@LTO、SiO@TNO。利用X射线衍射仪对改性后的材料进行测试。结果表明,SiO的首次放电比容量为1980.6 mA·h/g,充电比容量为891.2 mA·h/g,充放电效率为45.0%;SiO@NWO的首次放电比容量为464.0 mA·h/g,充电比容量为327.1 mA·h/g,充放电效率为70.5%,首次充放电效率显著提升。交流阻抗测试结果表明,SiO@NWO的电荷转移阻抗R_(ct)为113.5Ω,显著小于SiO的213.7Ω,表明材料的导电性能得到提高。

锂离子电池氧化亚硅负极结构优化和界面改性研究进展

氧化亚硅(SiO)作为锂离子电池负极材料,具有较高的理论比容量(~2043 mAh·g^(−1))以及合适的脱锂电位(<0.5 V),且原料储量丰富、制备成本较低、对环境友好,被认为是下一代高能量密度锂离子电池负极极具潜力的候选材料。然而,SiO在脱/嵌锂过程中存在着较严重的体积效应(~200%),易导致材料颗粒粉化、脱落,严重影响了SiO负极电极的界面稳定性和电化学性能。近年来,人们围绕SiO负极结构优化和界面改性开展了大量工作。本文先从SiO负极材料的结构特点出发,阐述了该材料面临的主要瓶颈问题;继而从SiO的结构优化、SiO/碳复合和SiO/金属复合等三方面,系统总结了迄今已有的SiO负极结构设计和界面调控策略,并分别对其方法特点、电化学性能以及二者间关联规律进行了比较和归纳,最后对SiO负极材料结构和界面改性的未来发展方向进行了展望。

基于原位参比的氧化亚硅--石墨复合负极循环衰减机制

为了研究氧化亚硅和石墨在复合应用时的循环衰减机制,本工作通过在循环过程中增加小电流可逆容量标定,消除了电压极化对衰减行为的影响。通过在软包装电池内部预先埋入参比电极,对比不同循环次数时正极和负极的电化学特征变化,利用负极微分曲线解析氧化亚硅和石墨的去锂化容量演变过程和衰减程度。同时,结合交流阻抗谱(EIS)、扫描电子显微技术(SEM)、元素能谱(EDS)和等离子体发射光谱(ICP)等测试。结果表明,造成电池循环衰减的主要原因是活性锂损失和氧化亚硅衰减,两者造成的容量损失分别为0.45 Ah和0.36 Ah。负极衰减速率明显快于正极,循环600次后,负极中石墨和氧化亚硅的衰减程度分别为2.2%和30.3%。电池在循环过程中产生了新的界面阻抗,所有动力学阻抗参数呈逐渐增大的趋势。拆解电池发现,循环后负极发生了严重的体积膨胀和副反应,导致锂损失在负极并失活,引起界面阻抗的增长和电池容量的衰减。本研究可以无损定量识别氧化亚硅和石墨在循环过程中的衰减程度,为含硅复合负极的工程化应用提供了研究基础。

聚丙烯酸黏结剂的分子量对氧化亚硅负极性能的影响

硅基负极材料因在嵌锂-脱锂过程中会产生剧烈的体积膨胀,限制了其在构建高能量密度锂离子电池中的应用。聚丙烯酸(PAA)作为一种高性能硅基负极黏结剂,倍受关注。采用不同黏均分子量的PAA黏结剂制备氧化亚硅电极,并测试了其溶胀性、力学性能和电化学性能。黏结剂PAA的黏均分子量为400万时,以0.4 A/g的电流密度循环100圈后,电池的容量保持率为88.4%,可逆比容量为1 017(mA·h)/g,高于黏均分子量为45万、125万的PAA黏结剂时的602(mA·h)/g和793.9(mA·h)/g的可逆比容量。结果表明:黏结剂PAA的分子量增大,其溶胀性能、弹性模量、硬度得到提升,抑制氧化亚硅负极膨胀的能力得到增强,有利于构建更稳固的固态电解质界面膜,从而提升氧化亚硅电极的循环倍率性能。

氧化亚硅负极三维结构水性黏结剂的合成及性能研究

利用乙烯基三乙氧基硅烷在非中性水溶液中自发进行水解和自交联的原理,设计合成了一种具有三维网状结构的水性黏结剂,通过电池测试系统和电化学工作站对黏结剂的电化学性能进行测试,探讨了乙烯基三乙氧基硅烷的添加量对黏结剂结构和电化学性质的影响。结果表明:随着乙烯基三乙氧基硅烷添加量的增加,一方面可以构建更加稳定的三维交联结构,增强体系的结构强度,抑制氧化亚硅(SiO_(x))的体积膨胀;另一方面也会导致其余组分功能基团的减少,降低黏结剂的黏结性能,损害电池的电化学性能。两方面因素共同作用,当乙烯基三乙氧基硅烷的添加量为10%质量分数时,SiO_(x)负极表现出最佳的电化学性能,其初始比容量为1 441.7(mA·h)/g,首圈库伦效率为82.1%。

溶胶凝胶法制备纳米硅/氧化亚硅/碳复合负极材料

采用有机硅酯体系,通过溶胶凝胶法结合碳热还原反应,制备了具有碳包覆结构的堆叠型Si/SiOx/C复合负极材料。X射线衍射仪、扫描电子显微镜和元素分析仪测试结果表明:Si/SiOx/C复合材料是疏松多孔的微—纳结构二次颗粒,纳米硅的存在不影响碳热还原和碳包覆。电化学性能测试表明:SiOx/C材料与纳米硅复合可以将比容量和首次库伦效率提高至1 946.05 mAh/g和76.49%;Si/SiOx/C材料和石墨复配后在0.1 C的电流密度下100次循环后的可逆比容量为749.69 mAh/g,容量保持率达89.03%,具有优秀的电化学循环稳定性。

氧化亚硅材料制备过程中影响生产率因素分析

氧化亚硅(SiO)材料属于新一代锂离子电池负极材料,其具备容量高,循环寿命长,体积形变系数低等优点,能有效缓解硅基负极材料在锂离子电池中因体积形变所导致的一系列问题,从而提升锂离子电池的循环性能。在实际生产过程中,反应率对生产而言至关重要,若是想实现批量化生产,反应率是一项非常重要的因素。主要研究实际生产SiO过程中影响反应率的因素,主要从温度、原料混合粒径大小、投料量及黏结剂几方面进行探索研究。

复合溶胶–凝胶一锅法制备锂离子电池氧化亚硅/碳复合负极材料

采用复合溶胶–凝胶法结合后续热处理,制备了具有包埋结构的氧化亚硅/碳(SiO_(x)/C)复合负极材料。扫描电子显微镜分析结果表明:氧化亚硅纳米颗粒嵌入在无定形碳中。电化学性能测试表明:SiO_(x)/C复合材料具有较高的比容量、优异的循环稳定性和倍率性能。材料在0.1 A/g的电流密度下100次循环后的可逆比容量为710 m A·h/g,容量几乎无衰减;在1.6 A/g的电流密度下,可逆比容量为380 m A·h/g。优异的电化学性能是由于材料的包埋结构能有效地缓冲SiO_(x)充放电过程中的体积膨胀,保证材料的结构完整性和电化学循环稳定性。

微米级SiO合成多孔氧化硅/硅/碳储锂复合材料

以微米级SiO为原料,通过简单的高温煅烧、碳包覆和酸刻蚀制备多孔氧化硅/硅/碳复合材料,复合材料比表面积和平均孔径分别为32.9 m^2/g和3 nm。纳米硅分散在缓冲介质氧化硅多孔体系中,表面包覆一层薄而均匀的碳层。所得的复合材料具有较好的循环稳定性,在0.3 m A/g下,50次循环后可逆容量保持在645.1 m A·h/g。多孔结构、氧化硅缓解了硅在脱嵌锂过程的体积膨胀,碳层提高了复合材料的导电性和结构稳定性。

锂离子电池硅基负极材料研究与进展

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应会导致材料粉碎,负极材料与集流体失去有效电接触,裸漏的硅材料还会不断消耗电解液生成固体电解质膜(SEI)。因此纯硅负极锂离子电池容量损失快且循环性能弱。目前通过改进硅基负极材料的结构和化学组成和进行表面碳包覆等可以在较大程度上缓解体积膨胀问题,提高材料的循环稳定性。文章对硅基材料的最新研究进展进行了综述分析,并对未来硅基负极材料的发展方向进行了展望。

高容量硅基负极材料及其厚膜成型技术和性能

为了缓解硅基负极材料的体积膨胀并改善其电化学性能,以Mg、SiO和石墨(G)为原料,成功制备出一种多相Si-MgO-G复合材料。探讨了不同高能球磨工艺对Mg和SiO反应程度的影响及厚膜成型技术的应用。结果表明,当高能球磨(1+5)h后,Mg和SiO原位反应生成Si-MgO产物,将反应产物与石墨混磨制备成多相Si-MgO-G复合材料。用XRD、SEM和TEM等手段对制得材料的结构、形貌和成分进行分析,证实了复合材料是由Si、MgO和石墨组成,其中Si(220)//MgO(200)之间存在晶面共格关系。用CV和EIS等对捏合开炼厚膜技术制得负极极片进行电化学性能分析,结果表明,捏合开炼工艺制备的厚膜极片的厚度、活性物质载量和首圈面积比容量分别约为薄膜极片的7.4倍、6.0倍和6.2倍。简单、绿色的厚电极制备技术可提高锂离子电池的面积比容量。

新型硅碳复合材料的制备及其电化学性能

硅基负极材料由于具有高的比容量而获得较多关注。表面包覆碳层的氧化亚硅与人造石墨、胶黏剂在溶剂中高速分散后,用喷雾干燥的方式获得了复合材料颗粒。对比发现,喷雾复合制备的材料性能优于物理混合方式,并通过阻抗分析初步探明了喷雾复合方式具有优势的原因。在合成过程中加入质量分数1%的纳米碳纤维进一步优化了硅碳复合材料性能,用该材料制成试样电池,50周循环后容量保持率96%,具有较好的应用潜力。

锂离子电池硅基阳极预锂化研究进展

硅基阳极材料具有超高的理论比容量,是替代石墨类材料、提高锂离子电池能量密度的有效途径。但与石墨类材料相比,硅基阳极材料在首次嵌锂过程中,会大量消耗来自正极的锂离子,造成活性锂损失,形成较大的初始不可逆容量,影响材料的首次库伦效率,严重降低了锂离子电池的能量密度。预锂化技术,通过使电极材料接触额外的锂源,可以补偿锂离子电池在首次循环过程中造成的活性锂损失,是目前提高锂离子电池首次库伦效率的最有效手段,可使锂离子电池获得更高的能量密度和更好的循环性能。对当前主要的预锂化手段进行了概述,总结了各种预锂化技术的优缺点,并提出预锂化技术未来面临的挑战,为预锂化策略的实际性应用提供方向。

石墨对高比能NCM811/硅基动力电池的性能影响

为了加快300Wh/kg高比能量动力电池的开发,以NCM811为正极材料,将氧化亚硅与石墨共混得到550mAh/g高比容量负极材料,考察了不同石墨对全电池的倍率与低温循环性能的影响。首先,利用扫描电镜、粒度分析仪、比表面测试仪和半电池对石墨进行了表征和测试。然后对比了氧化亚硅匹配不同石墨的全电池性能。结果表明:两种石墨均为二次颗粒,氧化亚硅共混中值粒径较小的石墨,该动力电池具有更小的直流内阻、更好的倍率和低温长循环性能。

锂离子电池用硅基复合负极材料的性能研究

选用比容量较高的氧化亚硅材料配合石墨作为负极,考察氧化亚硅含量对材料电化学性能及其表面成膜和形貌的影响。实验结果表明:增大氧化亚硅含量可有效提高材料的比容量,但其表面较难形成稳定的SEI膜,不可逆损失增大;5%氧化亚硅的LFP/SiO-C软包电池采用较小的充电电流进行循环测试,负极嵌锂过程减缓,可以有效改善SEI膜生成状况,电池经100次循环,膨胀率为102.7%,150次循环时,其容量保持率可达88.27%。

氧硫双掺杂CNTs水系导电剂辅助构筑高性能石墨/SiO负极

由于石墨具有资源丰富、比容量高和嵌锂电位低等优势,被视为重要的商业化锂离子电池(LIBs)负极材料。然而,石墨较低的理论比容量限制了LIBs能量密度的进一步提升。因此,本文将少量的氧化亚硅(SiO)添加到石墨中,再分散到少量的氧硫掺杂双壁碳纳米管(O,S-DCNTs)水系导电剂中,得到石墨/SiO复合负极。其中,O,S-DCNTs是通过将双壁碳纳米管(DCNTs)在空气中预氧化处理,再通过浸渍法与MgSO4混合后煅烧所得的,具有纳米孔结构丰富、硫含量高和亲水性强等特性。通过电池性能测试发现,引入O,S-DCNTs后石墨/SiO复合负极的比容量、倍率和循环性能得到显著提升。此外,其循环性能是纯硫掺杂碳纳米管(S-DCNTs)石墨/SiO负极的4倍,这主要归因于高分散的O,S-DCNTs能够构筑大量的导电网络,提供丰富的锂离子存储空间和活性位点,解决SiO导电性差和体积膨胀系数大问题,从而显著提高石墨负极的电化学性能。本文为高性能负极材料的制备与储能应用提供了新的思路和方向。