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硅基负极材料的研究现状

2020-11-18 08:54:13 速读·下旬 2020年8期

◆摘  要:如今锂电池在诸如笔记本电脑,手机等电子产品中已得到了广泛的应用,并且在新一代的新能源电动汽车中也具有很好的应用前景。此外储能技术和新能发电技术如光伏发电,风力发电的配合使用以得到稳定的输出功率中也有着不可或缺的作用,在航空航天技术中稳定可靠高效的储能器件也至关重要。锂电池作为储能器件中发展的最成熟,应用最广泛的器件,成为最有前景的储能电池。本文以储能系统为框架,以储能系统的重大战略意义为支撑,从提高储能效率改进器件性能为出发点,从体积膨胀效应,电导率低等问题切入,着重分析体积膨胀的机理,微观形貌的变化过程,基于此而从结构角度探讨一些改性方法,综述了锂离子电池硅纳米负极材料的研究进展。

◆关键词:锂离子电池;硅纳米负极材料;改性;结构设计

1锂离子电池简介

锂电池工作时的原理图,以传统钴酸锂电池为例,其中负极为石墨(若为硅则原理相同),正极为钴酸锂。通常一个锂电池包含有阴阳二极用来收集电流导电,电解液可以使锂离子在正负极之间传输,还可以避免正负极之间的直接接触,阴极通常由金属氧化物组成(镍钴猛三元材料,富锂锰基等),阳极通常可由石墨,合金,硅等材料组成。锂电池的充放电是由锂离子的脱嵌来完成的,在此过程中锂离子通过电解液穿梭于正负极之间。在放电过程中锂离子从阳极材料中分离产生了锂离子和电子,锂离子通过电解液移向阴极,电子通过导线传输到外电路提供电能,在充电过程中,锂从阴极材料中脱出产生了锂离子和电子,分别通过电解液和外电路导线移向阳极。

2硅纳米负极材料之问题

另一个造成电极衰减的原因是SEI膜的形成。首圈充放电后SEI膜会在电极的表面形成,阻碍电解液与电极之间的接触。它是由于电解液中的溶质与分解后的溶质相互作用而生成的,SEI膜允许锂离子的传导,抑制电子的传导,这种行为限制了电解液的分解并且防止了容量的持续下降。不可逆容量以及倍率性能和循环性能都高度依赖于SEI膜的质量。常用的电解盐有LiPF6、LiAsF6、LiBOB、LiClO4和LiBF4这些电解盐通常以混合物的形式溶解碳酸酯类溶剂如碳酸乙烯、二甲基碳酸二乙酯,碳酸二乙酯,碳酸丙烯中。

3硅负极材料的改进方法

采用硅纳米管的结构会增加硅电极与电解液的接触面积,Park等制造出了一种纳米管的结构来克服因表面积不足而引起的电极极化所导致的容量的衰减。这种纳米管结构电极在200次循环充放电后的可逆容量为3200mAh/g,容量保持率为89%。但是在这种结构中SEI膜仍然会造成一些问题,因为这种结构无法避免充电过程中硅颗粒的膨胀。为了克服这个缺点Park等又在纳米管外壁添加了一层碳包覆层。Wu等也制备了一种以SiO2为束缚层的双壁纳米管结构,这种DWSiNT结构可以使锂离子通过二氧化硅层进入电极但却抑制了电解液的渗入。由于二氧化硅层具有机械稳定性,所以在充电过程中纳米管只会向内扩展。在膨胀过程中SEI膜将保持不动,阻止了新的表面爆率和新的SEI膜的生成。图5(a-c)显示了二氧化硅限制层的优势,并且展示了它是如何是SEI膜稳定的。图5(d-f)展示了DWSiNT结构的SEM和TEM形貌图。图5(a-b)展示了在硅纳米线和纳米管中硅层向外扩展所造成的SEI膜损坏的过程。这种膨胀效应在其他的无限制层的结构当中也会存在。这种SEI膜将会持续不断的生长直到膜的厚度可以限制膨胀效应为止。

4总结与展望

随着科技的日益发展,绿色新能源必将取代汽油、煤炭等具有污染特性的能源,成为为日常生活、工业生产等各行各业提供能源支持的产业支柱。锂电池的发展前景广阔,作为锂离子电池关键组成部分的负极材料同样具有良好的发展势头。在现有负极材料应用良好市场基础上需要日后人们克服困难及挑战开发新的负极材料,以提高锂离子电池的能量密度、功率密度以及电池的循环寿命。科技是企业的灵魂,掌握前沿科技的企业必将走在时代的前列。

Si/C复合材料结合了Si(高容量)和C(优异的容量保持率,高导电率和低体积变化)的优点成为最有希望用于实际应用的高性能负极材料。本文总结了Si/C复合负极材料核壳结构、蛋黄结构、多孔型结构和嵌入型结构等结构设计的最新研究进展,这些结构设计可以有效地缓解体积变化问题,促进稳定SEI膜的形成,改善复合材料的导电性。构建SiO、/C复合材料也是实现可逆容量、高库伦效率和容量保持的良好平衡的一种潜在途径。考虑到材料的实用性,在设计和制造过程中应同时考虑Si/C电极的重量和体积容量,还应考虑具有成本效益的原材料和可扩展的制造路线,以实现低成本生产和高商业利润。同时,应继续研究开发新型电解质添加剂和聚合物粘合剂,以保证坚固的电极结构和稳定SEI膜。将来,通过同时引入材料合成和结构设计既念,对实现高性能S/C复合负极材料的进步发展具有重要意义。

参考文献

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作者簡介

张强(1997.12—),男,蒙古族,籍贯:河北省承德市丰宁满族自治县,学历:本科在校生,研究方向:锂离子电池。