锂离子电池硅基负极材料研究现状与发展趋势

。XX大学毕业论文目的：锂离子电池硅基负极材料研究的现状和发展趋势名字二十教育水平学院学习号XX省级电大XX应用化学技术专业第二十分校讲师二十，教学点二十内容我，4二、4三 5Iv.6V.667参考文献7谢谢你锂离子电池硅基负极材料的研究现状及发展趋势摘要：硅基负极材料具有很高的电化学容量，是一种很有前途的锂离子电池正极材料。综述了元素硅、硅-金属合金、硅-碳复合材料等硅基复合材料作为锂离子二次电池正极材料的最新研究成果，分析了锂离子电池硅基正极材料存在的问题，探讨了硅基正极材料的合成、制备技术、研究方向及未来的应用前景。分析结果表明，未来的主要发展方向是通过硅纳米化、非晶化、合金化和复合化等技术手段，同时实现高容量、长寿命、高库仑效率和倍率性能的硅基阳极材料。关键词：应用化学；锂离子电池；负面材料；硅基复合材料。锂离子二次电池具有比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、自放电率低、充电快、无污染、工作温度范围宽、安全可靠等优点，已成为现代通信、便携式电子产品和混合动力汽车的理想化学电源。在制造锂离子二次电池的关键材料中，负极材料是决定锂离子电池工作性能和价格的重要因素。目前，商用负极材料主要是石墨碳负极材料。它们的实际容量接近理论值(372 mAh/g)，因此不能满足高能量密度锂离子微电池的要求。另一方面，石墨的嵌锂电位平台接近金属锂的沉积电位。在快速充电或低温充电过程中，容易出现“析锂”现象，造成安全隐患。另外，石墨材料的溶剂相容性差，在含有碳酸丙烯酯等的低温电解液中容易发生剥离，导致容量衰减1。因此，寻求一种高容量、长寿命、安全可靠的新型负极材料来替代石墨碳负极。发展锂离子电池是当务之急。在各种新型合金贮锂材料中，硅的容量最大，可与锂形成Li 12 Si 7、Li 13 Si 4、Li7Si3、Li15Si4和Li22Si5合金。理论锂储存容量高达4212毫安/克，超过石墨容量的10倍2-3。硅基负极材料还具有与电解质的低反应性和低锂嵌入电势(低于0.5 V) 4-5的优点。硅的嵌锂电压平台略高于石墨，充电时不易在表面造成锂沉积，其安全性能优于石墨负极材料6。此外，硅是地壳中丰度最高的元素之一，其来源广泛，价格低廉，并且无毒。这对硅阴极材料的商业应用具有很大的优势。综述了近年来元素硅、硅-金属合金、硅-碳复合材料等硅基复合体系作为锂离子二次电池负极材料的最新研究成果，并展望了未来的研究方向和应用前景。I .硅的锂嵌入和脱嵌过程中的结构变化在锂嵌入和脱嵌过程中，硅电极的体积效应引起的电容快速衰减是实际应用过程中的一大障碍7-8。在电化学锂存储过程中，在每个硅原子与平均44个锂原子结合之后，获得Li22Si5合金相。材料的体积变化可达到300%以上9。由巨大体积效应产生的机械应力将促进电极表面上微裂纹的产生和扩展，导致活性物质逐渐破裂并从集电器上脱落，从而失去与集电器的电接触，导致电极循环性能迅速下降10。此外，由于硅本身是半导体材料，其固有电导率相对较低。只有6.710-4S/cm，因此有必要添加导电剂来提高电极的导电性11。为了解决这个问题，人们使用纳米硅粉作为负极材料，但研究表明，锂离子在纳米硅材料中的反复嵌入和脱嵌将导致硅纳米粒子的不可逆电化学烧结，导致电池循环性能急剧下降12。硅负极材料的容量急剧衰减的另一个重要原因是硅的腐蚀，这是由现有电解质18中的锂六氟化锂分解产生的痕量氟化氢引起的。此外，由于其严重的体积效应引起的颗粒粉碎，新的硅原子持续消耗锂，结果，在常规的锂-6电解质中难以形成稳定的表面固体电解质(SEI)膜。随着活性物质的粉碎和电极结构的破坏，新暴露的硅表面继续与电解质反应以形成新的SEI膜，导致充电和放电效率的降低和容量衰减的增加。为了使硅材料具有高容量和良好的循环性能，主要采用以下三种方法来改善硅基负极材料： 的电化学性能，以制备硅纳米材料。一是降低硅的绝对体积变化，二是制备非晶硅薄膜以消除晶体硅的不均匀变形。(2)制备硅基合金材料，在硅和其他元素之间形成硅化物，以减少材料的体积变化；(3)制备硅基复合材料，将硅与其他非金属材料复合，通过缓冲基体的缓冲性能限制硅的体积变化。第二，硅纳米化为了解决活性物质由于纯硅负极材料的巨大体积效应而从电极上脱落的问题，简单的硅负极材料的制造工艺应该向多个方向发展。主要方向之一是硅纳米化，可分为零维纳米化、一维纳米化和二维纳米化。零维纳米化是指通过不同的工艺技术制备纳米硅粉19。晶粒细化可以减少硅的绝对体积变化。同时，锂离子在负极材料中的扩散距离缩短，电化学反应速率提高。然而，由于硅活性纳米粒子的表面能极高，它们在充电和放电过程中容易团聚，并且当尺寸降至100纳米以下时，纳米粒子将经历“电化学烧结”，这加速了容量的快速衰减。此外，硅纳米粒子的比表面积大。活性物质和电解质之间的直接接触增加，并消耗大量锂离子，这导致副反应和不可逆容量增加，并降低库仑效率。另外，纳米硅粉主要采用激光法制备，生产成本高。一维纳米化指的是硅纳米线和硅纳米管的制备，它们具有两种类型的粉末材料和在集电器上直接生长的20-23。硅纳米线可以减少循环过程中径向的体积变化，获得良好的循环稳定性，并为锂离子提供轴向的快速传输通道。锂离子的扩散距离和电子的传导距离减小。Chan等人，24通过气-液-固，VLS)气相法制备一维硅纳米线。结果表明，在0.2充放电速率下，容量衰减缓慢，20次循环后容量仍稳定在3500毫安/克。容量保持率保持在75%左右。Ge等6采用化学刻蚀技术制备掺硼多孔硅纳米线。在2安培/克的充放电电流下，250次循环后仍能保持2000毫安/克的容量，表现出优异的结构稳定性和电化学性能。这是因为硅纳米线的锂嵌入和脱嵌机制极大地减轻了活性物质在循环过程中由于体积膨胀而被压碎并从集电器中分离的现象。此外，一维硅纳米线的生长形态也缩短了锂离子的扩散距离，有利于电子的快速传导。三。硅合金化为了解决硅阳极材料循环过程中活性材料的粉化和脱落导致的电接触容量衰减差和循环性能差的问题，人们开始寻找缓冲基质来抑制硅在充放电循环过程中的体积变化。硅基材料的复合主要是引入体积效应小、导电性好的缓冲基质，同时降低硅活性相的体积膨胀。制备了一种多相复合阳极材料。通过增加基底之间的电导率和体积补偿，提高了材料的循环稳定性。根据所介绍的缓冲基板类型，可简单分为硅-金属复合阳极材料和硅-非金属复合阳极材料两种类型，可有效降低充放电过程中因体积膨胀引起的电化学性能恶化。在研究二元硅基负极材料时，发现虽然单一的活性或惰性掺杂硅基负极材料可以减轻一些体积膨胀，但在硅基负极材料中，大比表面积的活性粒子在循环中容易发生电化学团聚，团聚粒子与基体的电化学接触较差，29，40-43。为了解决这个问题，硅被引入。四、硅复合材料硅基负极材料也可以通过与其他材料复合来改善其电化学性能和循环性能。硅-非金属复合材料主要包括硅-碳复合材料和硅-其他非金属复合材料。碳材料由于其良好的导电性、相对较小的体积变化(例如，石墨体积膨胀率为10.6%)以及充放电期间良好的循环性能，已经成功地商业化为石墨负极材料。此外，硅和碳的化学性质相似，两者可以紧密结合。如果硅材料和碳材料通过多种方式复合，硅纳米粒子均匀分散在碳材料基体中，碳材料的结构和大量的锂离子通道能量结合起来增加锂离子的嵌入位置，两者优势互补。获得了理论容量高、循环性能好的新一代硅碳复合阴极材料。为了在充电和放电期间保持硅阴极活性材料的良好电子传导和结构完整性，采用了混合静电组装技术57。将氨基丙基修饰的带正电荷的硅纳米粒子嵌入带负电荷的氧化石墨烯层之间，然后进行热还原，得到硅/石墨烯复合阴极材料。结构表征表明，硅粒子均匀分散在褶皱的石墨烯表面，硅纳米粒子没有明显团聚。这种网络结构为硅纳米粒子在充电和放电期间的体积膨胀提供了合适的缓冲空间。V.开发测试目前，商用阳极材料的容量普遍较低，而硅基阳极材料的容量相对较高。考虑到阳极和阴极容量的适当匹配，硅基材料的未来发展需要放弃对高容量的片面追求，专注于如何提高其首次库仑效率和在充放电过程中保持循环稳定性。例如，硅-金属合金阳极材料的研究应选择嵌锂活性低、结构稳定、电极结构稳定性协同维持的金属元素作为缓冲基质，以抑制硅的体积膨胀。还可以结合磁控溅射、化学气相沉积、电化学刻蚀、喷雾热解等多种制备技术，制备出具有特殊形貌和结构、涂层均匀的复合阴极材料，以促进硅材料的实际研究。(2)向循环性能优异、库仑效率和倍率性能更高的方向发展改善硅基活性材料的主要策略是设计材料的组成和微结构以适应硅体积效应并保持电极导电网络。为了解决这些问题，碳涂层仍然是提高硅基材料循环稳定性的有效方法。通过硅材料的纳米造粒、金属表面或碳材料上的硅涂层、改善硅材料和集电器之间的接触、硅化物的多相掺杂等方法或技术手段，从不同碳源获得的碳层密度是不同的。由于杂原子含量过高，不完全碳化会导致过多的副反应和严重的不可逆容量损失。简单的碳涂层技术难以实现颗粒的均匀分布，只能获得微米级的二次颗粒。综合考虑，硅基碳复合阴极材料的未来发展趋势主要是采用碳涂层结合纳米技术制备特殊结构(多孔通道结构、碳纤维复合结构)，并利用间隙结构协同吸收阴极内部电极材料的膨胀，实现硅材料的性能。参考1钱加林。式加热炉，中国石化出版社(北京)2003，201-2092陈敏恒。化工原理.化学工业出版社。3刘胜洲，王峰，陈天禄。高等化学杂志，2001，22 (3)，494-497。4徐文伯。石油天然气化工流程加热炉吹灰优化研究2006/01刘倡议。高效空气雾化油燃烧器的预置及其在小型管式加热炉中的应用，锅炉技巧, 2005/026蒋西城。管状辐射加热钢丝热处理炉研究,金属制品，2006/047危险的木头建筑。步进梁式加热炉钢管绑扎材料施工技术探讨，安徽冶金科技学院学报，2006/02吴明健，沈，可降解塑料的研究与发展。河南化学工业，1999，22 (5) :6 7。小李。生物可降解聚合物的研究现状及应用前景。福建化学工业，2001，21 (3) :33 37。邹军，凌秀琴。可生物降解的高分子材料聚乳酸。广西化纤，2001，27 (6): 3 8。王勇。新一代聚乳酸树脂降解塑料在的应用。新化学材料，1998，26 (8) :36 3