锂离子电池硅基负极材料改性研究

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锂离子电池因具有能量密度大、工作电压高、循环寿命长及无污染等优点,已成为便携式电子产品中最广泛采用的二次电池。但是,随着便携式电子产品小型化发展及锂离了电池在航空、军事及汽车产业中的需求日益旺盛,电池的容量和能量密度均亟待大幅度提高。目前,商品化锂离子电池主要采用具有优异循环性能的改性天然石墨和人造石墨作为其负极材料,但因其理论比容量较低(LiC6,372mAh/g),因此人们对于新型高比容量、长循环寿命负极材料迫切希望。  单质硅由于其具有很高的理论容量(4212mAh/g)而受到关注。硅的电压平台略高于石墨,在充电时避免了表面的“析锂”现象,安全性能优于石墨负极材料。另外,硅是地壳中第2丰富的元素,构成地壳总质量的25.7%。然而将Si基材料作为锂离子电池负极材料,其可逆性并不理想,这是由于硅的本征电导率低和硅基材料在锂离子嵌/脱的过程中体积变化巨大(800%-400%)两个因素所引起的。  针对硅基材料存在的上述问题,开展了Si负极材料的制备、SiO材料的电化学性能改进、纳米硅基负极材料表面掺杂、SiO-C复合材料的实用化等研究工作。  采用了导电性更好的SFG-6导电碳材料代替石墨,制备的SiO-C负极材料具有良好电化学性能(电化学容量950mAh/g,循环性能50周,未见明显衰减)。同时,为了解决SiO材料首次循环效率较低的问题,采用活泼金属还原,高温加热等方法使SiO中的氧原子转为惰性,可以有效地缓解Si在嵌锂过程体积膨胀。  采用添加少量的Li2O和Al2O3等利用表面修饰的方法改善材料的表面稳定性,对硅材料的循环性能有很大的改善,但首周的循环效率未有明显的改善。  使用添加成膜性好的添加剂的新型CDK08电解液,使硅材料表面SEI膜更加稳定,SiO-C材料的电化学脱嵌锂容量超过950mAhg-1,材料每周的库伦效率逐步提高到99.8%,接近碳材料的水平;尝试采用喷雾干燥法制备SiO-C粒度均一稳定的前驱体形成了硅-石墨-碳复合层状的硅基负极材料,在保持原有的容量和循环稳定性好的前提下,制备出团聚度低,粒度较小的的电极材料;经预锂化处理,首周不可逆容量有明显的降低。
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