纳米硅碳负极材料研究报告 0引言 自1991年SONY公司以石油焦炭为负极材料将锂离子电池推向商业化以来，因其出色的循环寿命、较高工作电压、高能量密度等特性，锂离子电池一经推出就受到人们的广泛关注，迅速成为能源储存装置中的明星。近年来，随着新能源交通工具(如EV和HEV)的发展，对锂离子电池提出了更高的要求。作为锂离子电池关键部分的负极材料需要具备在Ii 的嵌入过程中自由能变化小，反应高度可逆;在负极材料的固态结构中有高的扩散率;具有良好的电导率;优良的热力学稳定性以及与电解质良好的相容胜等。研究者们通过开发具有新颖纳米结构的碳材料和非碳材料，来提高作为锂离子电池负极的嵌铿性能。然而，这些新颖的材料，如Sn, Si, Fe、石墨烯、碳纳米管，等，虽然其理论嵌铿容量较高(Sn和Si的理论嵌铿容量分别为994mAh/g和4 200 mAh/g ，但由于制备工艺相当复杂，成本较高，而且在充放电过程中存在较大的体积变化和不可逆容量。因此，若将其进行商业化应用还需要解决许多问题。 锂离子电池具有高电压、高能量、循环寿命长、无记忆效应等众多优点，已经在消费电子、电动土具、医疗电子等领域获得了少’一泛应用。在纯电动汽车、混合动力汽车、电动自行车、轨道交通、航空航天、船舶舰艇等交通领域逐步获得推少’一。同时，锉离子电池在大规模可再生能源接入、电网调峰调频、分布式储能、家庭储能、数据中心备用电 源、通讯基站、土业节能、绿色建筑等能源领域也显示了较好的应用前景 1不同负极材料的特点评述 天然石墨有六方和菱形两种层状品体结构同，具有储量大、成本低、安全无毒等优点。在锉离子电池中，天然石墨粉末的颗粒外表面反应活性不均匀，品粒粒度较大，在充放电过程中表面品体结构容易被破坏，存在表面SEI膜覆盖不均匀，导致初始库仑效率低、倍率性能不好等缺点。为了解决这些问题，可以采用颗粒球形化、表面氧化、表面氟化、表面包覆软碳、硬碳材料以及其它方式的表面修饰和微结构调整等技术对天然石墨进行改性处理。从成本和性能的综合考虑，目前土业界石墨改性主要使用碳包覆土艺处理。商业化应用的改性天然石墨比容量为340~ 370 mA·h/g，首周库仑效率90%~93%，100% DOD循环寿命可达到1000次以上，基本可以满足消费类电子产品对小型电池的性能要求。 2硅碳负极材料应用前景 近年来，我国锂离子电池产业发展迅速，全球市场份额不断攀升，在大规模的锂离子电池产业投资的带动下，锂离子电池负极材料的需求不断上升。硅负极相比石墨负极具有更高的质量能量密度和体积能量密度，采用硅负极材料的锉离子电池的质量能量密度可以提升8%以上，体积能量密度可以提升10%以上，同时每千瓦时电池的成本可以下降至少3%，因此硅负极材料将具有非常广阔的应用前景。新能源汽车产业是全球汽车产业的发展方向，也是我国重要的新兴战略产业之一，未来10年将迎来全球汽车产业向新能源汽车转型和升级的战略机遇。新能源汽车主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及燃料电池汽车。其中，纯电动汽车完全使用动力电池驱动，对电池容量需求最大，要求锉离子电池容量平均为30 kW /h。自2010年起，动力类锉离子电池受益于技术提升和成本降低，逐渐替代镍锅,镍氢电池，成为新能源汽车广泛使用的动力电池。根据中国汽车工业协会统计，我国新能源汽车产量由2011年的8000辆左右增至2015年的34万辆，而销量则由2011年的8000辆左右增至2015年的33万辆，年均复合增长率均超过150% o在各种利好政策的影响下，2014
硅负极材料衰退机理简介（1） 目前, 锂离子电池负极材料以石墨化碳材料为主, 它导电性能好, 具有良好的层状结构,适合于锂离子的嵌入和脱出, 为良好的电压平台, 充放电效率在90% 以上.但石墨化碳负极材料最大的不足就是电池容量不高(372 mAh/g) , 无法满足人们对锂离子电池比容量逐步增长的需求。因此, 寻找具有更高理论比容量的锂离子电池负极材料势在必行.硅 (Si) 在替代石墨用作锂离子电池负极材料是非常有潜力的, 而且地球储量丰富(占地球表层的 25.8%).在已知的锂离子电池负极材料中, 硅具有最高的理论比容量(4200 mAh/g) , 要比石墨负极材料的理论比容量大 10倍. 因此, 将硅作为锂离子电池负极材料是一个重要研究方向, 并将其制备成纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜、纳米管、氧化物及合金材料, 大大改善了锂离子电池的循环性能.但是, Si 作为负极材料在使用过程中由于锂离子的嵌入和脱出, 会产生非常大的体积变形, 约 300%～ 400%，这直接造成了锂离子电池电化学性能的衰退, 严重制约了高容量硅负极材料在锂离子电池中的应用. 因此,高性能锂离子电池面临的挑战并不是一个单纯的化学问题(容量、效率等), 还是一个重要的力学问题(粉化、剥落等)。 硅基材料在脱嵌锂过程中存在体积膨胀和收缩是固有事实, 无法抑制其体积变化, 只能通过硅基材料的纳米化、薄膜化、硅碳复合化及合金化来改善硅颗粒的粉化及破裂程度. 然而，首次循环过程中的应力破坏将造成不可逆容量损失。 电极材料首次充放电后就会发生力学破坏失效, 这直接造成了电化学性能的退化. 因此, 对其充放电过程中的力学性能研究是非常必要的. Sethuraman 等对 Si 负极材料的电化学循环性能进行了研究, 采用的电流密度为 25 μA/cm2(C/4倍率), 为了保证锂离子在负极材料中均匀扩散,控制充放电电压为10 mV . 基于MOSS 技术及 Stony 公式 , 可以得到 Si 薄膜材料充放电过程中平均应力随容量的变化关系, 如图-3所示. 在充电的开始阶段, 平均应力随容量的增加, 其平均压应力也随之增加,当容量达到 325 mAh/g 时, 其压应力达到大约1.7 GPa. 随着充电过程的继续进行, 材料由于体积的继续变形, 发生塑性流动, 当容量达到1 875 mAh/g 时, 其压应力降低到大约 1 GPa.当电池放电时, Si 材料开始脱锂过程, 其初始阶段发生弹性变形, 其应力状态从压应力快速转变为拉应力. 当拉应力达到 1 GPa 左右时, 材料发生塑性流动, 最终拉
硅基锂离子电池负极材料 硅是目前已知比容量（4200mAh/g）最高的锂离子电池负极材料，但由于其巨大的体积效应（>300%），硅电极材料在充放电过程中会粉化而从集流体上剥落，使得活性物质与活性物质、活性物质与集流体之间失去电接触，同时不断形成新的固相电解质层SEI，最终导致电化学性能的恶化。近年来，研究者们做了大量的研究和探索，尝试解决这些问题并取得了一定的成效，下面就由小编带着大家看看这一领域的研究进展，并提出进一步的研究方向和应用前景。 硅的脱嵌锂机理和容量衰减机制 硅不具有石墨基材料的层状结构，其储锂机制和其他金属一样，是通过与锂离子的合金化和去合金化进行的，其充放电电极反应可以写作下式： Si+xLi++xe-LiXSi 图1硅基锂离子电池原理图：（a）充电；（b）放电
在与锂离子发生合金与去合金化过程中，硅的结构会经历一系列的变化，而硅锂合金的结构转变和稳定性直接关系到电子的输送。 根据硅的脱嵌锂机理，我们可以把硅的容量衰减机制归纳如下：（1）在首次放电过程中，随着电压的下降，首先形成嵌锂硅与未嵌锂晶态硅两相共存的核壳结构。随着嵌锂深度的增加，锂离子与内部晶体硅反应生成硅锂合金，最终以Li15Si4的合金形式存在。这一过程中相比于原始状态硅体积变大约3倍，巨大的体积效应导致硅电极的结构破坏，活性物质与集流体'活性物质与活性物质之间失去电接触，锂离子的脱嵌过程不能顺利进行，造成巨大的不可逆容量。（2）巨大的体积效应还会影响到SEI的形成，随着脱嵌锂过程的进行，硅表面的SEI会随着体积膨胀而破裂再形成，使得SEI越来越厚。由于SEI的形成会消耗锂离子，因而造成了较大的不可逆容量。同时SEI较差的导电性还会使得电极的阻抗随着充放电过程不断增大，阻碍集流体与活性物质的电接触，增加了锂离子的扩散距离，阻碍锂离子的顺利脱嵌，造成容量的快速衰减。同时较厚的SEI还会造成较大的机械应力，对电极结构造成进一步破坏。（3）不稳定的SEI层还会使得硅及硅锂合金与电解液直接接触而损耗，造成容量损失。 硅材料的选择与结构设计 1.无定型硅和硅的氧化物 （1）无定型硅 无定形硅在低电位下拥有较高的容量，作为锂离子电池负极材料"相比于石墨类电极材料安全性能更高。但无定形硅材料只能在有限程度上缓解颗粒的破碎和粉化，其循环稳定性仍不能满足作为高容量电池负极材料的要求。 （2）硅的氧化物 作为锂离子电池负极材料，SiO具有较高的理论比容量（1200mAh/g以上）、良好的循环性能以及较低的脱嵌锂电位，因此也是一种极具潜力的高容量锂离子电池负极材料。但氧化硅含氧量的不同也会影响其稳定性和可逆容量：随着氧化硅中氧的提高，循环性能提高，但可逆容量减小。 除此之外，硅氧化物作为锂离子电池负极材料还存在一些问题：由于首次嵌锂过程中Li2O和锂硅酸盐形成过程是不可逆的，使得首次库仑效率很低；同时Li2O和锂硅酸盐导电性差，使得电化学动力学性能较差，因而其倍率性能差；相比于单质硅，硅氧化物作为负极材料的循环稳定性更好，但是随着循环次数继续增加，其稳定性仍然很差。 2.低维硅材料
XX大学 毕业论文 题目锂离子电池硅基负极 材料研究现状与发展趋势 姓名XX 教育层次大专 学号XX 省级电大XX 专业应用化工技术分校 XX 指导教师 XX 教学点XX 目录
一、 (4) 二、 (4) 三、 (5) 四、 (6) 五、 (6) （一） (6) （二） (7) 参考文献 (7) 致谢 (8) 锂离子电池硅基负极材料研究现状与发展趋势
摘要: 硅基负极材料因具有高电化学容量是一种极具发展前景的锂离子电池负极材料. 评述单质硅、硅-金属合金、硅-碳复合材料以及其他硅基复合材料作为锂离子二次电池负极材料的最新研究成果, 分析锂离子电池硅负极材料存在问题, 探讨硅基负极材料的合成、制备工艺以及未来硅基材料的研究方向和应用前景. 分析结果表明, 通过硅的纳米化、无定形化、合金化及复合化等技术手段, 实现硅基负极材料同时兼备高容量、长寿命、高库伦效率和倍率性能, 是未来的主要发展方向. 关键词: 应用化学; 锂离子电池; 负极材料; 硅基复合材料。 锂离子二次电池因具有比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、自放电率低、快速充电、无污染、工作温度范围宽和安全可靠等优点, 已成为现代通讯、便携式电子产品和混合动力汽车等的理想化学电源. 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. 目前商业化的负极材料主要是石墨类碳负极材料, 其实际容量已接近理论值(372 mA·h / 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势, 快速充电或低温充电过程中易发生“析锂” 现象从而引发安全隐患. 此外, 石墨材料的溶剂相容性差, 在含碳酸丙烯酯等的低温电解液中易发生剥离导致容量衰减[1] . 因此, 寻求高容量、长寿命、安全可靠的新型负极材料来代替石墨类碳负极, 是锂离子电池发展的迫切需要. 在各种新型合金化储锂的材料中, 硅容量最高, 能和锂形成Li 12 Si 7 、Li 13 Si 4、Li7Si3 、Li15Si4 和Li22Si5等合金, 理论储锂容量高达4212mA·h / g, 超过石墨容量的10倍[2-3] ; 硅基负极材料还具有与电解液反应活性低和嵌锂电位低(低于0.5 V) 等优点[4-5] . 硅的嵌锂电压平台略高于石墨, 在充电时难以引起表面锂沉积的现象, 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, 价格便宜, 没有毒性, 对于硅负极材料的商业化应用具有极大的优势. 本文评述了近年来单质硅、硅-金属合金以及硅-碳复合材料和其他硅基复合体系作为锂离子二次电池负极材料最新研究成果, 并对今后研究方向和应用前景作了展望. 一、硅脱嵌锂时的结构变化
新型硅负极材料在锂离子电池中的应用研究 吴孟涛 天津巴莫科技股份有限公司 当今社会便携式可移动电子设备的高速发展极大的刺激了市场对重量轻体积小容量和能量密度更高的锂离子电池的需求。目前商业化锂离子电池都是以碳基材料作为负极的，但由于石墨负极的可逆容量只有372mAh/g (LiC6)，严重限制了未来锂离子电池的发展，所以研发下一代锂离子电池负极材料成为新的热点。人们发现在Li22Si5中硅的恒流理论容量达到了4200mAh/g，是极具开发潜力的锂离子负极材料。但这种材料的缺点也很突出：在嵌锂和脱锂过程中材料体积会发生膨胀，微观结构发生改变而导致在嵌锂脱嵌过程中电极的断裂和损耗[1]。虽然不少文献提出了很多改进方法但由于制备出的硅薄膜材料厚度较薄，不适宜商业化生产。为了使硅负极可以应用于实际生产，我公司以无定形硅薄膜溅射在铜箔上成功制备出了厚度大于1μ的硅薄膜负极材料并与市场上的LiCoO2制成电池进行了一系列循环和倍率性能测试。 1 实验： 硅薄膜是以物理溅射的方法在表面粗糙的铜箔上的[2]。表面形貌分析应用的是HRTEM(FEI Tecnai20).制备出的硅薄膜材料在80℃下真空干燥24h，与市场上销售的LiCoO2在手套箱中组成2025扣式全电池。电解液为1M LiPF6/EC+DMC(体积比1：1)；隔膜使用的是Celgard-2300。所有倍率试验和循环性能试验都是在电脑控制的25±1℃恒温系统中进行的。 2结果与讨论： 图1是循环前硅薄膜材料的HRTEM图和SAED图，从图中可以清楚看出涂在铜箔上的硅薄膜是无定形状态的。 图1 硅薄膜材料的HRTEM图和SAED图
阐述硅基负极材料粘结剂的研究进展并对不同类型粘结剂进行优缺点对比硅(Si)基负极材料的理论比容量（4200 mAh/g)高、嵌脱锂平台较适宜,是一种理想的锂离子电池用高容量负极材料。在充放电过程中，Si的体积变化达到300%以上，剧烈的体积变化所产生的内应力，容易导致电极粉化、剥落，影响循环稳定性。 在锂离子电池中，粘结剂是影响电极结构稳定性的重要因素之一。根据分散介质的性质，锂离子电池粘结剂可分为以有机溶剂为分散剂的油性粘结剂和以水为分散剂的水性粘结剂。刘欣等综述了髙容量负极用粘结剂的研究进展，认为聚偏氟乙烯(PVDF)改性粘结剂和水性粘结剂的应用，可使高容量负极电化学的性能得到提高，但没有针对硅基负极用粘结剂进行论述或比较。 本文作者就硅基负极材料粘结剂的研究进展进行了综述并对不同类型粘结剂的优缺进行了比较。 1、油性粘结剂 在油性粘结剂中,PVDF的均聚物和共聚物应用得最为广泛。 1.1 PVDF均聚物粘合剂 在锂离子电池的规模化生产中,普遍以PVDF作为粘结剂，有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)等作为分散剂。PVDF 具备良好的粘性和电化学稳定性，但电子和离子导电性较差，有机溶剂易挥发、易燃易爆且毒性大;而且PVDF只以弱范德华力与硅基负极材料相连，不能适应Si剧烈的体积变化。传统型PVDF并不适用于硅基负极材料[3 -5]。 1.2 PVDF改性粘结剂 为改善PVDF应用于硅基负极材料的电化学性能，有学者提出共聚和热处理等改性方法。Z. H. Chen等发现:三元共聚物聚偏氟乙烯-四氟乙烯-乙烯共聚物[P(VDF- TFE-P)]可增强PVDF的机械性能和粘弹性。J. Li等发现:在300℃、氩气保护的条件下热处理，可提高PVDF 的分散性和粘弹性。改性PVDF/Si电极以150 mA/g在0.17 ~ 0_ 90 V循环50次，比容量为600 mAh/g。PVDF/Si电极经改性处理，循环性能虽然有所改善，但循环稳定性仍不理
硅碳负极材料复合方式 锂离子电池具有能量密度高、开路电压高、循环寿命长等优点，被广泛应用于计算机、手机、EV以及其它便携式电子设备中。目前锂电池的商业化程度较高，作为锂电池的四大主材(正极材料、负极材料、隔膜、电解液)之一，负极材料的性能对电池性能具有关键影响，负极材料种类如图1所示。目前市场上锂电厂商主要选择石墨材料作为锂电池的负极材料，石墨属于碳负极材料中的一种，包括人造石墨和天然石墨。 图1.锂电池负极材料种类 石墨是较为理想的负极材料，由于其具有良好的循环稳定性、优异的导电性且层状结构具有良好的嵌锂空间，被广泛用于锂电池中。随着国家对于锂电
池性能要求的不断提高，石墨作为负极材料的不足也逐渐显露出来，例如克容量低(372mAh/g)、循环次数较多时层状结构容易剥离脱落等，限制了锂电池比能量和性能的进一步提升。科研工作者致力于寻找一种可以替代碳负极材料的材料。 由于硅可以和锂形成二元合金，且具有很高的理论容量(4200mAh/g)而备受关注。另外，硅还具有低的脱嵌锂电压平台(低于0.5VvsLi/Li+)，与电解液反应活性低，在地壳中储量丰富、价格低廉等优点，是一种非常具有前景的锂电池负极材料。 图2.石墨与硅的结构比较 但是硅作为锂电池负极具有致命的缺陷，充电时锂离子从正极材料脱出嵌入硅晶体内部晶格间，造成了很大的膨胀(约300%)，形成硅锂合金。放电时锂离子从晶格间脱出，又形成成了很大的间隙。单独使用硅晶体作为负极材料容易产生以下问题：
第一、在脱嵌这个过程中，硅晶体体积出现了明显的变化，这样的体积效应极易造成硅负极材料从集流体上剥离下来，导致极片露箔引起电化学腐蚀和短路等现象，影响电池的安全性和使用寿命。 第二、硅碳为同一主族元素，在首次充放电时同样也会形成SEI包覆在硅表面，但是由于硅体积效应造成的剥落情况会引起SEI的反复破坏与重建，从而加大了锂离子的消耗，最终影响电池的容量。 结合碳材料和硅材料的优缺点，经常将两者复合来使用，以最大化提高其实用性。通常根据碳材料的种类可以将复合材料分为两类：硅碳传统复合材料和硅碳新型复合材料。其中传统复合材料是指硅与石墨、MCMB、炭黑等复合，新型硅碳复合材料是指硅与碳纳米管、石墨烯等新型碳纳米材料复合。不同材料之间会形成不同的结合方式，硅碳材料的复合方式/结构主要有以下几种： 一、核桃结构 图3.核桃结构硅碳复合材料
二氧化硅低温合成硅纳米锂离子电池负极材料取得 进展 中国科学技术大学钱逸泰课题组发展了一种在200℃熔盐体系中，采用金属Al或Mg还原二氧化硅或硅酸盐制备纳米硅材料的方法。将该材料应用于锂离子电池负极材料，展示出优异的电化学性能。该研究成果以“Alowtemperaturemoltensaltprocessforaluminothermicreductionofsiliconoxidest ocrystallineSiforLi-ionbatteries”为题，发表在《能源环境科学》上（EnergyEnviron.Sci.,2015,8,3187-3191）。 ?该工作是钱逸泰课题组熔盐体系中用金属镁还原四氯化硅 (SiCl4+Mg+AlCl3)制备硅纳米材料(Angew.Chem.Int.Ed.2015,54,3822)的拓展性工作，但此次报道的工作因采用二氧化硅及各种硅酸盐为硅源，原料更加易得、价格便宜，更易放大，该工作的实用性更加显著。另外，该工作可以用价格更加便宜的金属Al为还原剂，反应中生成AlOCl，解决了长期以来铝热反应中生成惰性的Al2O3而使反应无法低温下进行的问题，促进了反应在低温下的持续进行。 ?一直以来，利用廉价的二氧化硅或硅酸盐制备硅材料都需要较高的反应温度。目前工业上采用的方法依然是高温碳热还原法（1700℃），所制备的硅大都为块材，难以应用于锂离子电池负极材料。2007年至今，650℃条件下镁热还原二氧化硅是主要的制备纳米硅材料的方法，但该方法条件苛刻，容易产生副产物Mg2Si，且产率较低。铝热还原二氧化硅因产生惰性的Al2O3，需高于铝的熔点，700℃以上的高温反应才能进行。
如何提高锂离子电池硅基负极循环性能 1.引言 硅具有最高的理论比容量（4200 mAh g-1）和较低的脱锂电位（<0.5 V），成为最有潜力取代石墨的锂离子电池负极材料之一。[1]但是在充放电过程中，硅会发生巨大的体积变化，导致材料粉化、剥落、失去电接触，容量衰减很快。[2]为了减小硅材料的体积效应，人们尝试了多种方法，包括制备无定形硅薄膜、纳米硅、多孔硅、硅氧化物、含硅非金属化合物、含硅金属化合物、硅/碳复合材料、硅/金属（活性或惰性）复合材料等。[3, 4]这些方法或者抑制了硅材料的体积膨胀，或者改善了硅颗粒之间的电接触，从而在一定程度上提高了硅负极的循环稳定性和首次充放电效率。除了硅基活性物质本身的改进，人们在电极制备工艺和电解液上也做了大量研究。 1.1 电极制备工艺的改进 一般商业化的电极由活性物质、导电剂和粘结剂组成，导电剂分散在粘结剂中使其具有电子导电性，粘结剂则起到将活性物质颗粒紧密包裹的作用，避免活性物质颗粒在循环过程中粉化、松散而失去电接触。电极的循环稳定性不仅与活性物质有关，而且受到粘结剂性质（强度、弹性、粘附性等）与分布状态的很大影响。 除了硅材料本身的体积效应和内部颗粒之间的电接触状态外，硅材料与集流体之间的接触状态对于负极的循环稳定性也有很大影响。改善硅材料与集流体之间电接触状态主要有两种途径： 一是提高粘结剂的性能。传统的聚偏氟乙烯（PVDF）粘结剂易吸收电解液而发生溶胀，导致粘结性能下降。一方面，探索新型的高性能粘结剂，如采用1%丁苯橡胶（SBR）/1%羧甲基纤维素钠（SCMC）作为粘结剂制备碳包覆硅负极，其循环性能优于使用10%PVDF粘结剂的电极，这是由于SBR＋SCMC具有更大的延伸率和粘附力。[5]另一方面，研究对传统的PVDF粘结剂进行改性以提高它的强度、弹性和粘性，起到抑制活性材料的体积变化，增强硅颗粒与集流体之间粘结力，改善电接触的作用。改性方法主要有交联化和热处理两种途径。[6]通过改进粘结剂的性能可以提高硅负极的充放电循环性能，但是这种改善十分有限，离商业化的要求距离较大。 二是改变集流体的表面形貌。集流体的表面粗糙度越大，则活性物质与集流体的导电接触面积越大，粘附强度越高，在充放电过程中越不易剥离，从而具有更高的循环稳定性。Kim Y. L. [7]采用相同的硅碳复合材料和粘结剂（PVDF），在不同表面形貌的集流体上制备硅基负极，其初始容量均在800mAh/g左右。经过30次充放电循环后，采用平整集流体的a电极的可逆容量已衰减至300mAh/g，采用粗糙集流体的b电极的容量衰减至650 mAh/g，而集流体表面呈瘤状突起的c电极的可逆容量仍保持800mAh/g。但是，制备这种具有瘤状突起表面的铜集流体需要经过两次电沉积，工艺较复杂，增加了生产成本。 本文设计了一种新型的的硅基负极结构，采用柔性的乙炔黑涂层替代传统的铜箔作为集流体，将活性物质粘结在乙炔黑涂层和聚乙烯膜之间，提高活性物质与集流体之间的结合强度，并期望通过这种夹心结构缓冲硅基负极在充放电过程中的体积变化。 1.2 电解液成膜添加剂的研究 导致硅基负极容量衰减的另外一个重要原因是电解液中的LiPF6分解产生微量HF对硅造成腐蚀，见式（1）和（2）。[8] (1) (2) 此外，由于硅在常规的LiPF6电解液中难以形成稳定的表面固体电解质(SEI)膜，伴随着电极结构的破坏，在暴露出的硅表面不断形成新的SEI膜，加剧了硅的腐蚀和容量衰减。[9]
硅基锂电池负极材料的研究进展及应用前景硅是目前已知比容量（4200mAh/g）最高的锂离子电池负极材料，但由于其巨大的体积效应（>300%），硅电极材料在充放电过程中会粉化而从集流体上剥落，使得活性物质与活性物质、活性物质与集流体之间失去电接触，同时不断形成新的固相电解质层SEI，最终导致电化学性能的恶化。近年来，研究者们做了大量的研究和探索，尝试解决这些问题并取得了一定的成效，本文表述了该领域的研究进展，并提出进一步的研究方向和应用前景。 硅的脱嵌锂机理和容量衰减机制 硅不具有石墨基材料的层状结构，其储锂机制和其他金属一样，是通过与锂离子的合金化和去合金化进行的，其充放电电极反应可以写作下式： Si+xLi++x e-=Li x Si 图1 硅基锂离子电池原理图：（a）充电；（b）放电在与锂离子发生合金与去合金化过程中，硅的结构会经历一系列的变化，而硅锂合金的结构转变和稳定性直接关系到电子的输送。 根据硅的脱嵌锂机理，我们可以把硅的容量衰减机制归纳如下：
（1）在首次放电过程中，随着电压的下降，首先形成嵌锂硅与未嵌锂晶态硅两相共存的核壳结构。随着嵌锂深度的增加，锂离子与内部晶体硅反应生成硅锂合金，最终以Li15Si4的合金形式存在。这一过程中相比于原始状态硅体积变大约3倍，巨大的体积效应导致硅电极的结构破坏，活性物质与集流体'活性物质与活性物质之间失去电接触，锂离子的脱嵌过程不能顺利进行，造成巨大的不可逆容量。 （2）巨大的体积效应还会影响到SEI的形成，随着脱嵌锂过程的进行，硅表面的SEI 会随着体积膨胀而破裂再形成，使得SEI越来越厚。由于SEI的形成会消耗锂离子，因而造成了较大的不可逆容量。同时SEI较差的导电性还会使得电极的阻抗随着充放电过程不断增大，阻碍集流体与活性物质的电接触，增加了锂离子的扩散距离，阻碍锂离子的顺利脱嵌，造成容量的快速衰减。同时较厚的SEI还会造成较大的机械应力，对电极结构造成进一步破坏。 （3）不稳定的SEI层还会使得硅及硅锂合金与电解液直接接触而损耗，造成容量损失。 硅材料的选择与结构设计 1. 无定型硅和硅的氧化物 （1）无定型硅 无定形硅在低电位下拥有较高的容量，作为锂离子电池负极材料"相比于石墨类电极材料安全性能更高。但无定形硅材料只能在有限程度上缓解颗粒的破碎和粉化，其循环稳定性仍不能满足作为高容量电池负极材料的要求。 （2）硅的氧化物 作为锂离子电池负极材料，SiO具有较高的理论比容量（1200mAh/g以上）、良好的循环性能以及较低的脱嵌锂电位，因此也是一种极具潜力的高容量锂离子电池负极材料。但氧化硅含氧量的不同也会影响其稳定性和可逆容量：随着氧化硅中氧的提高，循环性能提高，但可逆容量减小。 除此之外，硅氧化物作为锂离子电池负极材料还存在一些问题：由于首次嵌锂过程中Li2O和锂硅酸盐形成过程是不可逆的，使得首次库仑效率很低；同时Li2O和锂硅酸盐导电性差，使得电化学动力学性能较差，因而其倍率性能差；相比于单质硅，硅氧化物作为负极材料的循环稳定性更好，但是随着循环次数继续增加，其稳定性仍然很差。 2. 低维硅材料 低维度的硅材料在同质量下拥有更大的表面积，利于材料与集流体和电解液的充分接触，减少由于锂离子不均匀扩散造成的应力和应变，提高材料的屈服强度和抗粉化能力，使
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锂离子电池硅基负极材料研究进展 作者：崔清伟， 李建军， 戴仲葭， 连芳， 何向明， 田光宇， Cui Qingwei， Li Jianjun， Dai Zhongjia，Lian Fang， He Xiangming， Tian Guangyu 作者单位：崔清伟,Cui Qingwei(北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083;清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084)， 李建军,戴仲葭,Li Jianjun,Dai Zhongjia(清华大学核能与新能源技术研究院,北京,100084) ， 连芳,Lian Fang(北京科技大学材料科学与工程学院,北京,100083)， 何向明,He Xiangming(清华大学核 能与新能源技术研究院,北京100084;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084)， 田光宇,Tian Guangyu(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京,100084) 刊名： 化工新型材料 英文刊名：New Chemical Materials 年，卷(期)：2013,41(6) 被引用次数：7次 参考文献(20条) 1.庄全超,武山,刘文元,陆兆达锂离子电池材料研究进展[期刊论文]-电池 2003(2) 2.周恒辉,慈云祥,刘昌炎锂离子电池电极材料研究进展[期刊论文]-化学进展 1998(1) https://www.doczj.com/doc/1b17540830.html,z A;Huggins R A查看详情 2004 4.Huggins R A查看详情 1999 5.Lee K L;Jung J Y;Lee S W查看详情 2004 6.Cui L F;Ruffo R;Chan C K查看详情 2009(01) 7.Lv R;Yang J;Gao P查看详情 2009 8.Song, T.;Xia, J.;Lee, J.-H.;Lee, D.H.;Kwon, M.-S.;Choi, J.-M.;Wu, J.;Doo, S.K.;Chang, H.;Park, W.I.;Zang, D.S.;Kim, H.;Huang, Y.;Hwang, K.-C.;Rogers, J.A.;Paik, U.Arrays of sealed silicon nanotubes as anodes for lithium ion batteries[外文期刊] 2010(5) 9.Du C Y;Gao C H;Yin G P查看详情 2011 10.赵吉诗,何向明,万春荣,姜长印锂离子电池硅基负极材料研究进展[期刊论文]-稀有金属材料与工程 2007(8) 11.Wen Z S;Cheng M K;Sun J C查看详情 2010 12.Cui, L.-F.;Hu, L.;Choi, J.W.;Cui, Y.Light-weight free-standing carbon nanotube-silicon films for anodes of lithium ion batteries[外文期刊] 2010(7) 13.杜萍,高俊奎锂离子电池Si基负极研究进展[期刊论文]-电源技术 2010(4) 14.Wang X Y;Wen Z Y;Liu Y查看详情 2011 15.Chen H X;Xiao Y;Wang L查看详情 2011(16) 16.Kasavajjula U;Wang C;Appleby A J查看详情 2007 17.黄可龙;王兆翔;刘素琴锂离子电池原理与关键技术 2007 18.See-How Ng;Jiazhao Wang查看详情 2006 19.Si Q;Hanai K;Ichikawa T查看详情 2010 20.Zhou Z B;Xu Y H;Hojamberdiev M查看详情 2010 引证文献(2条) 1.刘云海,吴智鑫,姬超,闫腊梅,高虹锂离子电池Si-Ni负极材料的制备研究[期刊论文]-节能 2014(04) 2.陈雪芳,黄英,黄海舰,王科锂离子电池用硅负极材料的研究进展[期刊论文]-中国科技论文 2014(9) 引用本文格式：崔清伟.李建军.戴仲葭.连芳.何向明.田光宇.Cui Qingwei.Li Jianjun.Dai Zhongjia.Lian Fang.He Xiangming. Tian Guangyu锂离子电池硅基负极材料研究进展[期刊论文]-化工新型材料 2013(6)
（姜玉珍山东青岛青岛华世洁环保科技有限公司） 锂离子电池以能量密度高、循环寿命长和对环境友好等优点正在逐步取代镍氢电池，成为最有前途的储能装置。特别在最近几年，随着新能源汽车、便携式电子产品的高速发展，锂离子电池得到了更广泛的关注和更为深入的研究。 负极材料是锂离子电池的重要组成部分，它直接影响着电池的能量密度、循环寿命和安全性能等关键指标。未来的锂离子电池负极材料必须向高容量方向发展，才能解决现有电池能量密度低的问题。硅材料是一种具有超高比容量(理论容量4200 mAh/g)的负极材料，是传统碳系材料容量的十余倍，且放电平台与之相当，因此被视作下一代锂离子电池负极材料的首选。 然而，纯硅在充放电过程中会发生巨大的体积变化(体积膨胀率300%)，导致其粉化，进而影响到电池的安全性。另一方面，纯硅的电子导电率较低，很难提升锂离子电池的大电流充放电能力。针对上述两方面问题，国内外学者展开了大量的研发工作，本文就硅碳负极的研究发展现状进行综述。 1、硅碳负极目前存在的主要问题 在锂离子电池首次充电过程中，锂离子嵌入硅碳负极造成硅的体积膨胀，放电时，随着锂离子的脱出，硅碳负极体积收缩，硅的这种体积上的变化会产生大量的不可逆容量损失。造成首次放电效率低。随着充放电循环次数的增加，硅的体积膨胀会使得初次形成的SEI膜不断遭到破坏，同时体积膨胀会露出新鲜的负极表面，新鲜表面又会与电解液、锂离子反应再次形成SEI膜，如此循环往复，锂离子电池的容量不断降低，循环衰减严重，导致寿命降低。此外，纳米级的硅粉价格较高，硅碳负极成本问题也是制约其发展的又一因素。针对首次效率低、循环容量衰减严重的问题，专家学者们通过复合改性、纳米化等各种方式进行研究。 2、硅碳负极制备方法 、静电纺丝 吉林师范大学的曲超群等人通过静电纺丝制备出了硅碳负极粉料。其过程为：将PVP溶于乙醇制备L的溶液，按照Si:PVP=1:5加入硅粉，磁力搅拌、超声分散均匀，以静电纺丝方式制备前驱体，所得纺丝前驱体在马弗炉中以5 ℃/min的速率升温至230℃预氧化30 min，然后置于通有氩气保护的管式炉中650℃烧结7 h随炉冷却后即得Si/C复合材料。材料首次放电容量为g，库伦效率%，第20次循环时材料的放电容量仍能够维持在 mAh/g。 图1、Si/C 复合负极材料在倍率下的充放电曲线但是，该材料的倍率特性较差，将放电倍率提高到到，材料的放电容量为 mAh/g。再次变换充放电倍率至时，材料的放电容量仅为mAh/g。 、高温裂解沥青 西安建筑科技大学的栾振星等人通过高温裂解沥青的方式制备出了硅/碳/碳纳米管复合材料。该方法是将碳纳米管浸入H 2 SO 4 /HNO 3 溶液中震荡搅拌12H，空气中高温处理4H，将纳米硅、碳纳米管放入甲苯超声分散，然后将其按比例倒入溶于甲苯的沥青溶液中，搅拌均匀后真空
综述专论 化工科技,２０１７,２５(１):６７~７２ SCIENCE &TECHNOLOGY IN CHEMICAL INDUSTRY ?通讯联系人:王存国(１９６７-) ,男,山东高密人,青岛科技大学教授,潍坊市高层次创业创新人才,主要从事新能源电池材料及环境修复研究 .作者简介:潘一璇(１９９２-) ,女,陕西渭南人,青岛科技大学硕士研究生,主要从事新能源电池材料研究.收稿日期:２０１６-１１-１５ 锂离子电池大容量硅基负极材料的研究进展 潘一璇,王存国?,朱孟康,刘艺涵,路乃群 (青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室山东省橡塑材料与工程重点实验室,山东青岛２６６０４２) 摘一要:高容量锂离子电池是目前新能源电池的研究重点之一.由于硅的理论容量(４２００mAh /g ) 是石墨电极材料容量(３７２mAh /g )的十倍以上,因而成为锂离子电池负极材料的研究热点.然而,在充放电过程中,由于硅电极体积变化较大,可造成活性物质的破坏和失效,导致其循环性能变差.此外,硅的电导率较低,并且与传统电解质的相容性较差.这些缺点严重影响了硅的电化学性能,限制了其在锂离子电池领域的广泛应用.综述了锂离子电池硅基负极材料的研究进展,探讨了高性能硅基复合电极材料的制备方法. 关键词:锂离子电池;硅;负极材料;循环性能;二次电池 中图分类号:O ６１３．７;O ６４６．５;TQ １５２一文献标识码:A一文章编号:１００８-０５１１(２０１７)０１-００６７-０６ 一一锂离子电池具有较高的能量密度和高工作电 压(３．０~３．８V ) 等优点,从而被广泛应用到移动电源设备二储能设备等产品中[ １] .为了适用电动汽车等大容量动力电池要求,科学家们一直在不断寻找具有更高能量密度的新型电极材料[ ２] .硅(Si ) 被认为是一种很有前途的锂离子电池负极材料,它在锂离子嵌入过程中会形成Li ７Si ３二Li １２ Si ７二Li １３Si ４二Li １５Si ４二Li ２２Si ５等锂含量很高的硅锂合金,其中Li ４．４Si 的容量达到４２００mAh /g ,是目前已知的具有最高理论容量的负极材料 [３] .同 时,Si 的电压平台高于碳材料,可以避免在充电过程中材料表面出现析锂现象,提高了电池的安全性能.另外,Si 在地壳中储量丰富二价格低廉等优点,从而受到人们的广泛关注.但是,硅作为电极材料仍然存在一些缺点,首先在充放电过程中,Si 原子结合Li 原子的同时会产生巨大的体积 膨胀(３００％),使活性材料从集流体上逐渐脱落,使活性材料与集流体接触变差,初期循环后电极 容量大大衰减[４-５] .其次,电解液的分解物会腐蚀 硅,在Si 表面不断生成SEI 膜(表面结构钝化 膜),也会使电极容量加剧衰减,充放电效率急剧降低.并且,Si 自身也会逐渐粉化从而失去与集 流体之间的电接触致使容量骤减,循环性能迅速 下降[６-８] .再者,Si 本身是半导体材料, 作为负极材料,必须提高其导电性能.针对上述问题,人们从各种途径进行探索来改善Si 负极材料的性能,例如设计低维化与复合化的Si 负极材料来弥补 其性能上的不足[９-１０] ,作者在此详细叙述了硅基 电极材料的改性研究与最新进展,为人们深入研究提供参考与借鉴. １一硅材料的低维化改进 １．１一零维化纳米硅颗粒 低维化也称之为纳米化,目前低维化主要有零维化二一维化及二维化.零维化即制备纳米级 的Si 颗粒[ １１-１２] .块状的硅在首次循环中库仑效率较低,只有约３５％,且容量衰减很快.这是因为硅在首次嵌锂过程中硅与硅之间的键受到了破坏,致使硅形成了一系列的锂硅合金原子团或硅原子团,如:Li １２Si ７,Li １４Si ６,Li １３S ４,Li ２２Si ５,呈现不同程度的体积膨胀,使活性材料与集流体之间的接触变差,循环性能大大降低.在嵌入锂离子的过程中,硅材料的电阻也随之发生了规律性的变化,锂硅合金的电阻在首次嵌锂过程中减小,达
清华大学关于硅碳复合负极材料方面的专利汇总 清华大学化学工程系魏飞教授关于硅碳负极方面的专利在soopat或佰腾专利搜索只能检索到一篇（201510395054.7），且还未授权，其专利大致情况如下所示： 该硅碳复合材料是一种核壳结构，其中以硅或其氧化物为核，石墨烯为壳的亚/微米颗粒，所得材料的粒径尺寸在0.05-15um之间，石墨烯的重量占核壳结构颗粒总重量的1-8wt%，且核壳结构的比表面积等于或小于原始硅或其氧化物颗粒的比表面积。制备的复合材料宏观形貌为球形、棒状、片状、不规则多面体形状。其制备方法包括如下步骤： 1）在常温下，将含碳粘合剂（如直连、直链淀粉、葡萄糖、多羟基醇）溶于去离子水中，持续搅拌并缓慢加热至50-100℃，保持恒温1-6小时，得到粘性液体； 2）将粒径为0.1um-10um的硅或其氧化物颗粒加入到步骤1）所制备的粘性液体中，搅拌得到固含量为30-60wt%悬浊液浆料； 3）将步骤2）得到的浆料进行喷雾造粒，得到粒径分布在50-300um之间的多孔球形颗粒，即二级结构颗粒； 4）将步骤3）得到的二级结构颗粒填充到流化床中，在惰性气氛中加热至反应温度700-1000℃，然后通入碳源（如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、甲苯、苯等），惰性气体和碳源的总空速为500-900 h-1，保持碳源与惰性气体的体积比在0.5-2之间，进行化学气相沉积，反应时间为20-60min，得到粒径尺寸为0.05-15um的石墨烯包覆的硅或其氧化物核壳结构。 清华大学材料系黄正宏教授有一篇关于硅碳负极方面的专利（200910082897.6）。该专利的大致情况如下所示。 该复合负极材料由基体和均匀分布其中的颗粒组成，其中颗粒是一种具有纳米尺寸的核壳结构颗粒；所述纳米颗粒的核为纳米硅，壳为有机物热解得到的无定型碳，所述的基体是高压静电电纺制备的有机纤维热解碳化后得到的，为不规则多孔洞的无定型碳网络结构。其大致步骤如下：
新能源汽车领域的日趋火爆，吸引着国内外大量企业前赴后继奔赴“战场”，并不新鲜的锰酸锂技术却似乎又开始绽放出引人注目的色彩。技术创新固然可喜，但寻找性价比更高、储藏量更大、具有更多定价话语权的新原材料，才是提升行业终端降本增效能力的治本之法。 硅是目前人类至今为止发现的比容量(4200mAh/g)最高的锂离子电池负极材料,是一种最有潜力的负极材料，但硅作为锂电池负极应用也有一些瓶颈，第一个问题是硅在反应中会出现体积膨胀的问题。通过理论计算和实验可以证明嵌锂和脱锂都会引起体积变化，这个体积变化是320%。 所以不论做成什么样的材料，微观上，在硅的原子尺度或者纳米尺度，它的膨胀是300%。在材料设计时必需要考虑大的体积变化问题。高体积容量的材料在局部会产生力学上的问题，通过一系列的基础研究证明，它会裂开，形成严重的脱落。 硅体积膨胀会导致一系列结果 1.颗粒粉化，循环性能差 2. 活性物质与导电剂粘结剂接触差 第二个问题就是在硅表面的SEI膜是比较厚且不均匀的，受温度和添加剂的影响很大，会影响锂离子电池中整个比能量的发挥。 石墨表面因为导电性特别好，相对来说SEI膜比较均匀，它的组成跟硅负极不一样。为了研究这个问题，中科院相关科学家做了模型材料，通过微加工做成硅纳米柱。观察这种材料在充放电过程中SEI膜的生长，我们发现随着循环次数的增加，SEI膜逐渐把硅柱中间的空隙填上，覆盖完后还会继续生长大概4.5μm，在硅表面如果不加任何处理，SEI膜可以长得很厚。 这说明它是多孔的，溶剂始终能够接触到浸到硅的表面，这样在全电池设计时是不行的。怎么样解决这个问题，中科院科相关学家做了一些尝试在硅上做了碳包覆，为了做对比，我们硅上只做了部分的石墨烯包覆，其他地方空出来。最终看到包覆和不包覆SEI膜的生长情况
第34卷第4期 硅酸盐通报Vol．34No．42015年4月BULLETIN OF THE CHINESE CEＲAMIC SOCIETY April ，2015 锂离子电池硅/碳复合负极材料的研究进展 张瑛洁，刘洪兵 （东北电力大学化学工程学院，吉林132012） 摘要：负极材料是制约锂离子电池发展的重要因素之一。硅/碳复合材料储锂容量高、循环稳定性好，是目前制备 新型锂离子电池负极材料的研究热点。介绍了硅/碳复合材料的不同制备方法和复合结构以及优良的电化学性 能，综述了硅/碳复合材料的研究进展，并对未来的发展方向进行了展望。 关键词：锂离子电池；硅/碳复合材料；制备方法；复合结构；电化学性能 中图分类号：TQ152文献标识码：A 文章编号：1001- 1625（2015）04-0989-06Ｒesearch Progress on Si /C Composite Anode Materials for Lithium-ion Battery ZHANG Ying-jie ，LIU Hong-bing （School of Chemical Engineering ，Northeast Dianli University ，Jilin 132012，China ） Abstract ：Anode materials is a major factor that restricts the development of lithium-ion batteries．Si /C composite materials ，which possesses high capacity and cycling stability ，becomes the hot spot to preparation of new type lithium-ion battery anode materials at present．Different preparation methods of Si /C composite materials ，composite structures ，and excellent electrochemical performance were introduced．And the research progress of Si /C composites was summarized．Subsequently ，the future development direction of Si /C composite materials was prospected as well． Key words ：lithium ion battery ；Si /C composite materials ；preparation method ；complex structure ； electrochemical performance 基金项目：吉林省科技厅产业技术创新战略联盟项目（20130305017GX ）；吉林省教育厅吉教科合字［ 2014］第103号作者简介：张瑛洁（1969-），女，教授， 博士．主要从事水的深度处理方面的研究．1引言 负极材料储锂容量是制约锂离子电池应用范围的关键因素，硅/碳复合材料作为一类应用潜力巨大的负 极材料， 成为近年来研究的热点。碳与硅相近似的化学性质，为两者的紧密结合提供了理论依据，所以碳常用作与硅复合的首选基质。硅通常与石墨、石墨烯、无定型碳和碳纳米管等不同的碳基质制备复合材料，在硅碳复合的体系中硅主要作为活性物质，提供容量 ［1-3］；碳材料一般作为分散基质，限制硅颗粒的体积变化，并作为导电网络维持电极内部良好的电接触［4-6］。理论上，硅/碳复合材料储锂容量高，导电性能好，但要成为可商用的锂离子电池负极材料，面临着两个基本的挑战：循环稳定性差和可逆循环容量保持率低。不同的制备方法以及复合结构都会对复合材料的电化学性能产生影响，开发强附着性、紧密电接触、耐用的新型硅碳复合材料，对促进硅/碳复合材料实际应用的进程具有重大意义。本文着重从制备方法、复合结构及电化学性能等方面综述了硅/碳复合材料近年来的研究进展，以期对后续的研究人员的相关实验提供理论依据。DOI:10.16552/https://www.doczj.com/doc/1b17540830.html,ki.issn1001-1625.2015.04.018