外部载荷对硅电极锂电池循环性能的影响

硅具有高比容量和低电压平台等优点,被认为是最有前途的锂离子电池负极材料之一。然而,硅电极在锂化/脱锂过程中巨大的体积膨胀以及伴随的材料破裂和粉化,限制了其倍率性能和循环性能。现有研究表明,在循环过程中对硅电极施加外部载荷能有效提高电池的循环性能。本研究提出了一种宏观调控方法,即通过施加外部机械载荷以提高硅电极锂离子电池的容量保持率。采用设计定制的原位充放电加压实验设备,以CR2032纽扣电池为对象开展实验,通过充放电循环测试验证了该方法的有效性。实验结果显示,在CR2032电池表面施加0.2 MPa大小的轴向外部载荷,可以有效抑制硅电极在充放电过程中的膨胀,并调节电池内部状态。经过50个充放电循环后,电池容量保持率将从无外部载荷时的59%提升至70%。同时,由于硅电极活性物质颗粒在锂化和脱锂过程中存在不同的应力状态,提出了一种新的调控方法,即在循环过程中在电极材料的锂化阶段施加0.1 MPa大小的外部载荷,并在脱锂阶段施加0.2 MPa的载荷。实验结果证明,该方法可以进一步提高硅电极锂离子电池的循环性能。此外,电极表面的扫描电子显微镜成像结果也支持了这一结论。本研究采用的外部机械载荷施加方法,为从宏观角度提高硅负极锂离子电池性能提供重要的借鉴。

曲面硅电极五轴精密磨削工艺研究

近两年出现了新型刻蚀技术,将半导体刻蚀用硅电极设计成曲面结构。而曲面硅电极的精度及粗糙度要求非常高,其生产都是在国外进行,具体工艺未知。研究出一套曲面硅电极高效、精密磨削方法。通过分析曲面硅电极零件,提出采用五轴磨削技术进行加工的工艺方案,使用五轴编程软件进行编程,采用具备机内自动化技术和数字仿真技术的五轴磨削中心,对曲面硅电极的磨削加工策略进行验证。结果表明:此项加工技术可提高加工效率和产品良率,并减少后续的研磨抛光时间,降低了生产成本。

基于稳定化金属锂粉的硅电极预锂化性能探究

为了解决锂离子电池首次充放电效率过低、不可逆容量损失会消耗大量电解液和正负极材料中脱出锂离子的问题,基于稳定化金属锂粉(SLMP)对硅电极进行预锂化,结合扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)对电极表面形貌及组成进行分析,探讨预锂化搁置时间及预锂化试剂用量对硅电极储锂性能的影响规律。研究表明,预锂化之后,减少了首次不可逆容量,提高了电极循环稳定性能。在预锂化搁置时间为36 h和SLMP用量为0.3 mg的条件下,硅电极的首次可逆容量可以达到3 444.9 mAh·g^(-1),经过60次充放电循环后,容量依然能保持1 247.2 mAh·g^(-1)。预锂化技术能补偿电池初始及循环过程中的不可逆容量损失,提高电池的容量及能量密度,显著延长电池的使用寿命。

应用线性硅电极阵列检测海马场电位和单细胞动作电位

近年来,硅材料微电极阵列发展迅速,μ为研究大脑神经细胞活动的时空特性提供了理想的手段.考察了线性硅材料微电极阵列在神经细胞电位检测中的稳定性,以及对于单细胞动作电位检测的有效性.实验结果表明,在麻醉大鼠海马CA1区场电位记录中,上下移动记录微电极200μm,对于正向和反向诱发电位的记录几乎没有影响,说明,线性微电极阵列对于神经细胞的损伤很小,检测性能稳定.电极阵列上处于细胞胞体层的测量点可以有效地记录到CA1神经细胞的动作电位发放,同一记录点上可以清楚地分辨出数个不同神经细胞的发放电位.实验结果显示了硅电极阵列操作简便、检测信号稳定和获取信息多等特点,对于开展微电极阵列应用研究的工作人员具有借鉴作用.

硅电极/溶液界面开路电位-时间谱和原子力显微镜在化学镀Ag中的应用研究

用开路电位 -时间谱技术 ,表征了在硅 (10 0 )表面化学镀银的硅电极 /溶液界面吸附态 .所得结果与原子力显微镜在纳米尺寸上的面结构信息分析结果作了对比 .同时也将该结果与循环伏安法 (CV)结果作了比较 .证明当硅电极表面具有单层吸附Ag+ 离子、表面单层吸附Ag+ 离子发生沉积反应、Ag+ 离子发生本体沉积时的开路电位 -时间曲线有完全不同的特征 .

硅电极电火花表面改性的研究

以工业纯硅为电极,通过电火花放电对试样进行表面改性处理。电火花设备型号为EDM7125,工作液为普通煤油,电极材料含硅99.6%,工件材料为45钢和球铁。采用扫描电镜及金相显微镜对试样表面形态进行了研究,对试样表面进行了能谱分析,对试样进行了耐蚀及表层结合强度等试验。结果表明:试样加工后表面形成一层含硅超过16%的合金层。电火花加工球铁石墨基本未脱落,但石墨周围易产生或扩展显微裂纹。高硅层结合强度非常高,进行永久变形时,无剥离和裂纹产生。而且,经电火花加工过的试样耐蚀性得到极大提高。另外,电火花加工,当参数合理时,可达到粉末混入加工的目的,试样可获得好的表面质量。

镍铂修饰n型硅电极光电解析氧

本文以 n/n^+-Si半导体为基底,通过碱溶液刻蚀处理和Ni/Pt双层金属膜表面修饰后作为光阳极,用于1.0mol·dm^(-3)KOH溶液中光助电解水析氧.在恒电势1.0V(相对HgO/Hg电极)和90mW·cm^(-2)光照射下,最佳电极的析氧电流达到65.2mA·cm^(-2),稳定性实验表明,连续光照不超过200小时,光电极具有良好的抗腐蚀性.对电极表面进行了X-光电子能谱(ESCA)分析.

多孔与平面硅电极界面的电化学行为(英文)

研究了重掺杂n-型单晶硅(CSi)在氢氟酸体系中生成多孔硅(PSi)的电化学行为,根据线性极化曲线,选取不同的电流密度,采用恒电流阳极极化法,制备了一系列多孔硅层。利用扫描电子显微镜对其进行了表面和断面形貌的表征,通过线性扫描极化技术和计时电位法,比较了单晶硅电极和多孔硅电极的电化学行为,分析了多孔硅形成前后的塔菲尔曲线和计时电位曲线,给出了多孔硅形成过程中的重要电化学参数,如腐蚀电流、开路电位、塔菲尔斜率等。并对其进行深入分析,根据实验结果,提出了单晶硅电极/电解质界面和多孔硅电极/电解质界面的结构模型,并利用该模型讨论了两种电极界面的电化学特性。

碱性水溶液中甲醛在硅电极表面的电化学行为及其对硅化学刻蚀的影响

研究了KOH水溶液中氧化剂甲醛在p Si和n Si( 10 0 )单晶半导体电极表面的电化学行为及其对硅化学刻蚀表面形貌的影响 .实验结果表明 ,甲醛不仅影响p 和n 型半导体电极在碱性溶液中的阳极氧化峰电流 ,而且在负电位区能在Si( 10 0 )电极上发生还原 .在光照条件下 ,p Si( 10 0 )电极上也观测到了HCHO的电化学还原及光电流倍增效应 .甲醛在硅电极表面的电化学还原反应分两步进行 ,反应终产物为甲醇 .此外 ,HCHO能有效抑制碱性溶液中Si表面“金字塔”型表面粗糙颗粒的形成 .

电流密度对微米硅电极断裂行为的影响

高容量硅电极在脱/嵌锂过程中所发生的大体积变形、断裂行为会引起严重的力学衰减,并导致电极的电化学性能退化.这严重制约着硅电极材料在商业锂离子电池中的应用.目前,硅电极断裂行为的一些细节还未被彻底研究清楚.为了进一步研究微米硅电极的断裂行为,本文利用光学显微镜观测了单晶硅电极的形貌演化,分析了不同电流密度下硅电极的断裂行为,并重点研究了在不同电流密度下裂纹形成时硅电极的相对嵌锂深度.结果表明,电流密度越大,硅电极断裂越严重.但是在三种不同电流密度下,裂纹形成时硅电极相对嵌锂深度差异不大(18%—22%).这可能是由于微米硅电极各向异性变形所引起的局部应力集中在主导着断裂行为.这些实验结果与有限元模型预测结果一致.结合裂纹形成时锂化硅和晶体硅的界面位置以及力学模型,讨论了裂纹形成时锂化硅层内部应力分布状态.这些结果深化了对硅电极断裂行为的认识,并为硅电极的设计和合适的脱/嵌锂速率选择提供一定的指导.

锂离子电池硅电极新型粘合剂的研究进展

硅(Si)作为目前理论容量最高的一种负极材料,被认为是最有前景的一种锂离子电池负极材料,但较大的体积膨胀和较差的导电性限制了其在锂离子电池当中的应用。在硅电极体系中,选择一种合适的粘合剂对于硅电极的机械完整性和电子完整性起着至关重要的作用。总结了硅负极材料的容量衰减机理,介绍了粘合剂结构的不同对硅电极性能的影响以及新型的导电粘合剂在硅电极方面的应用。

纳米硅电极材料的制备及其电化学性能研究

锂离子电池由于无记忆、充放电快等特点得到广泛关注。硅具有较高的理论容量,并且原料易得,地壳含量丰富等特点,但是体型硅在充放电过程中体积膨胀较大,是制约其工业化发展的重要原因。本文利用可再生的生物质稻壳为原料,基于镁热还原法制备纳米硅粉。XRD表征制备的原料纯度较高,结晶性能良好,TEM表征硅纳米粒子大小在50 nm左右,分散均匀。电学性能测试表明在0.5 C电流密度下测试,得到接近800m Ahg-1的比容量。

冷喷涂制备纯硅负极结合特性对电极性能的影响

目的 提高冷喷涂制备锂离子电池硅(Si)基负极的电化学性能,探究冷喷涂制备硅基负极结合特性对电极性能的影响。方法 通过涂覆和冷喷涂制备硅基负极,利用剥离强度试验测试活性材料与集流体的结合强度。通过扫描电镜表征充放电前后电极表面及断面形貌,分析2种电极的结构稳定性。通过观察单颗粒子沉积形貌,研究硅颗粒的沉积特性。采用恒流充放电、循环伏安法、交流阻抗法分别研究电极的循环性能和动力学特性。结果 在相同剥离条件下,Si-喷涂样品结合强度高,且剥离现象出现较晚,Si-喷涂样品的平均载荷为2.04 N,大于Si-涂覆样品的平均载荷(1.51 N)。Si-涂覆电极材料与集流体的贴合度较差,铜箔与涂层以及涂层材料内部均存在大量的孔隙结构,Si-喷涂电极活性材料均匀沉积于铜箔表面簇状的缝隙中,涂层较薄,未能覆盖簇状凸起。硅颗粒无法连续沉积形成较厚的涂层,仅以嵌入的方式沉积于铜箔表面。Si-涂覆电极循环200次后,容量仅剩51 mAh/g,而Si-喷涂电极循环200次后,容量高达240 mAh/g。Si-喷涂电极的Rct比Si-涂覆小,说明Si-喷涂电极的嵌入式结构利于电荷的转移。Si-涂覆电极的锂离子扩散系数在1~200次嵌锂后,始终比Si-喷涂电极高出1个数量级。结论 冷喷涂制备的硅基负极具有更高的结合强度。Si-喷涂电极活性材料均匀沉积于铜箔表面簇状凸起缝隙之中,有利于缓解体积效应,提高了结构的稳定性,显示出更好的循环性能和容量性能。相比于Si-涂覆电极,Si-喷涂电极具有较小的电荷转移阻抗和较大的离子扩散阻抗。

碳硅棒作电极钒电池的设计与初步研究

介绍了钒电池的设计和初步研究成果。采用碳硅棒作电极,自行设计了钒电池的结构,该设计操作简单,实用性强,且成本较低。根据理论分析配制电解液,并对电池恒流电解时间和充电时间进行了计算。实验证实,设计的钒电池运行良好,配制的电解液合乎实验要求,测得的恒流电解时间和充电时间与计算的结果基本吻合。运行一定周期后,阳极出现轻微的腐蚀现象。

硅基薄膜电极充放电过程应力演化解析解研究

为了研究硅电极在充放电过程中的应力演化,在忽略弹性变形的情况下提出了一个考虑粘塑性的简化力学模型,分别导出了出现相分离和不出现相分离时薄膜电极内应力场的解析解,该模型的计算结果与现有的实验结果相吻合.计算结果表明,当存在相分离时,电极中的应力取决于薄膜电极的厚度和充电速率的乘积;在未出现相分离现象时,应力仅取决于充电速率.这个解析形式的力学模型对于锂离子电池电极材料的设计有着重要的指导意义.

揭示用于氧化亚硅电极的锂-氰基萘预锂化体系的界面整合功能

化学预锂化被认为是提高储锂负极首次库仑效率(ICE)的关键方法.本文设计了取代基工程的锂-氰基萘预锂化体系,以增强首次库仑效率并同时构建氧化亚硅电极的多功能界面膜.X射线光电子能谱(XPS)、电子能量损失能谱(EELS)、核磁共振(NMR)能谱和原子力显微镜(AFM)证明锂-氰基萘预锂化试剂有助于形成整合的固体电解质界面(SEI)膜,体现在以下方面:(1)生成具有有机外层(致密的含氮有机物ROCO_(2)Li)和富含LiF无机内层的呈梯度的固体电解质界面膜;(2)组分、机械性能和表面电位在水平分布上的均质化.因此,预锂化的氧化亚硅电极表现出高于100%的首次库伦效率,循环过程中提高的库伦效率、更好的循环稳定性以及在过充电状态下锂枝晶的抑制.值得注意的是,预锂化后的硬碳/氧化亚硅(9:1)‖|钴酸锂全电池在能量密度上展现了62.3%的提升.

在氢氧化铁修饰的硅油碳糊电极上微分脉冲伏安法直接测定污水中的痕量对苯二酚

将石墨粉掺有少量的氢氧化铁粉末作为催化剂,以硅油为黏结剂制成碳糊电极,微分脉冲伏安法直接测定污水中的对苯二酚,在pH 1.0 HC l支持电解质中,对苯二酚在该碳糊电极上表现为催化行为,微分脉冲的阳极峰电流在0.625—500μm ol/L浓度范围内呈较好的线性关系,ip(μA)=0.3402+0.09578C(μm ol/L)(r=0.9997,SD=0.374),检出限为0.3125μm ol/L。方法简单快速,直接用于污水中对苯二酚的测定,结果令人满意。

TiO_2和Ag修饰硅基电极的光电性能研究

采用n型单晶硅经光电化学阳极刻蚀成多孔硅,然后用TiO2和硝酸银溶液修饰多孔硅表面,通过电流-电压关系,时间-电流密度关系等方法研究几种复合多孔硅电极的光电性能,发现用TiO2和金属膜修饰的多孔硅电极光电流敏感,启动电压低,亮暗电流比明显,表现了更好的电极稳定性。

微细硅工具电极的制备及其微细电解加工实验

提出了一种采用重掺杂单晶硅作为工具电极基体、二氧化硅/氮化硅作为绝缘层的硅工具电极用于微细电解加工。设计了利用体硅湿法腐蚀实现电极基体成形,化学气相沉积制备绝缘层的微细硅工具电极制备工艺。初步实验得到电极加工部尺寸约为100μm,绝缘层厚度为800 nm的硅工具电极。利用高速旋转的微细硅工具电极在18Cr Ni8材料上加工出了微细沟槽结构和微细通孔。实验结果验证了侧壁绝缘层对杂散腐蚀抑制作用的有效性。经过96 min的持续加工实验,电极绝缘层保持了可靠的绝缘效果。

基于硅基电极的脑组织微动损伤仿真

目的:为预测脑组织微动损伤和解决植入电极的长期寿命问题,本研究基于硅基微电极进行建模,并对神经电极-脑组织有限元模型进行数值仿真。方法:采用超黏弹性模型描述脑组织材料,研究不同微动模式(纵向和横向)、不同物理耦合度下电极附近脑组织应变分布。结果:纵向载荷分析显示当摩擦系数μ增加时,脑组织最大von Mises应变呈降低趋势,并且电极尖端附近的组织应变最大,这表明电极与脑组织之间的物理耦合度对脑组织微动损伤有较大影响。增强电极和脑组织间的黏附程度,可以有效减小脑组织损伤。电极尖端的形状也极大地影响着组织的应变大小。横向载荷分析显示X轴方向的载荷产生的脑组织损伤区域大约为60μm,这表明电极之间的间距应大于60μm,否则不同电极产生的组织应变会发生重叠,这对于电极之间理想间距的设计和防止重叠应变形成多余的细胞鞘有着重要的意义。结论:数值仿真模型可以为电极-脑组织界面参数和电极间距设计参数提供参考,从而减少组织损伤,提高电极工作寿命,满足临床应用。