下载文档原格式
纳米结构的锂离子电池正负极材料研究近几年，锂离子电池成为了各种电子设备的必备元件，同时也受到了新能源汽车领域的广泛应用。
锂离子电池最核心的组成部分是电极材料，其中正极材料和负极材料在电池中分别承担着不同的功能。
本文将探讨现阶段的研究与应用中，锂离子电池正负极材料中纳米结构的研究进展及其影响。
1、锂离子电池基本结构锂离子电池由正极、负极、电解质和隔膜四部分构成。
其中，正极材料是锂离子电池的一个关键组成部分，其主要的作用就是在电池放电过程中，承担着锂离子的嵌入和脱出功能。
而负极材料则在电池充电时承担着锂离子的嵌入和脱出功能。
2、纳米结构在锂离子电池中的应用纳米材料因其特殊的结构和性质，成为了电池领域中一个研究热点。
纳米结构的材料具有很高的比表面积和更好的电化学反应活性，可以显著提高锂离子电池的性能。
目前，利用纳米结构制备的正负极材料已经在实际应用中得到广泛的应用。
3、正极材料中的纳米结构在正极材料中，传统的锂离子电池采用的是具有层状结构的材料，如三元材料和四元材料等。
而在纳米材料的应用下，锂离子电池正极材料中也出现了新的纳米结构材料，如纳米钻石和纳米钛酸锂等。
这些新材料都具有更高的比表面积和更好的电化学反应活性。
4、负极材料中的纳米结构在负极材料中，最常用的材料为石墨。
而在纳米材料的应用下，也出现了一些纳米石墨和其他纳米碳材料。
这些纳米材料因具有更高的比表面积和更优异的电化学反应活性，可以大大提高锂离子电池的性能，增加电池的容量和寿命。
5、纳米材料制备技术纳米材料的制备技术是纳米结构电极材料研究的核心。
目前，常用的纳米材料制备方法有物理方法、化学方法和生物方法等。
化学方法和物理方法可以产生高质量的纳米材料，同时也具有工业化生产的潜力。
6、总结本文系统的调查和阐述了现阶段纳米结构的锂离子电极材料研究热点问题并对其进行了思考和探讨。
可以看到，目前锂离子电池正负极材料中纳米结构的研究已非常成熟，同时着眼未来，纳米材料的制备和应用还将会有很大的进步和创新，这将使锂离子电池在实际应用中大大提高其性能和可靠性，从而推动了其在新能源汽车领域中的广泛应用。
了解锂电池硅基负极料子改性技术及研究近况在当前正在研究的高比容量锂离子电池负极料子中，硅基负极有着最高的理论比容量，在电池充电生成Li22Si5时比容量可实现4200mAh/g，是目前商用石墨负极的理论比容量的十倍以上。
但是硅在作为锂离子电池电极时在电池的充放电过程中会发生猛烈的体积膨胀，从而会致使SEl膜在电极表面反复的分裂和生成。
这就使得硅负极在电池嵌脱锂循环过程中显现急剧的容量衰减效应，在很大程度上限制了硅基料子在电池工业中的进一步发展。
针对上述问题，当前研究人员采取了很多方法去改善硅的电化学性能，譬如将硅与其他料子混杂进行改性以期得到性能优异的电池负极；或者会设计各种纳米结构，包含纳米粉末、纳米管、纳米线、纳米纤维等，除了寻求稳定的纳米结构外，还探究了粘结剂、导电剂以及电解质等对改善硅基负极电化学性能的影响。
这些研究不但为研究人员说明白新的发展方向，更紧要的是它为将来硅基负极锂离子电池的工业化生产供应了宝贵的引导作用。
1、硅基碳复合料子碳料子有着优良的电子离子导电性和机械性能，将其与硅料子进行复合，可以有效地提高其导电性，还可以对硅在嵌锂时发生的体积更改进行抑制，从而减缓电极料子的碎裂。
除此以外，碳料子还可以有助于在料子表面上形成稳定的SEI膜。
目前普遍所研究的Si/C复合料子包含多种类型，紧要有碳纳米管、多孔碳、石墨以及石墨烯等。
在这几种料子之中，由于石墨烯具有独特的单层原子结构以及髙电导率、高机械强度和优异的柔軔性，成为了近几年的研究热门。
硅料子可以与石墨烯形成不同形态结构的复合物。
Sun等合成了具有“豆荚”结构的石墨烯—硅复合物，使用经蜷曲处理过后的石墨烯去包裹纳米硅颗粒，该料子表面的石墨烯有效提高了电子/离子传输效率，而且抑制了硅的体积更改，限制了Si与电解液的直接接触。
当前也有研究致力于硅碳料子的空间化结构，三维结构一般是通过蚀刻、包覆等设计方法将硅与碳相结合所制得的。
空间型结构可以加快锂离子传输效率，提升导电性和储锂性能，而且有效缓解体积更改，释放料子内部应力，有利于保持电极的完整性。
锂电池负极材料的研究进展及展望分析锂电池负极材料在电池领域中起着至关重要的作用，其性能对整个电池的性能和安全性有着决定性的影响。
对于锂电池负极材料的研究至关重要。
本文将对锂电池负极材料的研究进展及展望进行分析，以期为今后的研究和应用提供一定的参考。
一、当前锂电池负极材料的研究进展1. 石墨石墨作为传统的锂电池负极材料，由于其成本低、稳定性好等优良性能，一直以来都是锂电池负极材料的主流。
随着锂电池技术的发展，石墨的储锂容量、循环寿命等性能逐渐无法满足日益增长的电池需求，因此迫切需要寻找新的替代材料。
2. 硅基材料硅基材料由于其高的理论比容量，成为了锂电池负极材料研究的热点。
硅基材料在充放电过程中容量膨胀巨大，导致结构破损，严重影响了材料的循环寿命和安全性能。
目前研究重点主要集中在硅基材料的表面包覆、纳米结构设计等方面。
碳基复合材料是一种由碳材料和其他金属氧化物或化合物复合而成的材料。
碳基复合材料具有较高的导电性和结构稳定性，能够有效改善材料在充放电过程中的电化学性能。
在锂电池负极材料研究中，碳基复合材料也受到了广泛关注。
1. 新型材料的开发随着电动汽车、智能手机等电池需求的不断增长，对于锂电池负极材料的要求也越来越高。
未来的研究重点将会更多地集中在新型材料的开发上，如硫化物、碳化物等。
这些新型材料具有更高的储锂容量和更好的循环寿命，能够更好地满足未来电池需求。
2. 结构设计的优化除了新型材料的开发外，结构设计也是未来研究的重要方向。
通过设计合理的纳米结构、多孔结构等，可以有效改善材料的稳定性和电化学性能，提高锂电池的循环寿命和安全性能。
3. 环保可持续性随着环保意识的提高，未来锂电池负极材料的研究也将更加关注环保可持续性。
开发可回收利用的材料，降低生产过程中对环境的影响，将成为未来研究的发展趋势之一。
锂电池负极材料的研究进展及展望呈现出多样化和前瞻性的特点。
未来的研究重点将会更多地集中在新型材料的开发、结构设计的优化以及环保可持续性等方面。
高比能量锂离子电池硅基负极材料研究进展锂电联盟会长，专注锂电十年只分享干货！常见的锂离子电池负极材料有软碳、硬碳、中间相碳微球(MCMB)、人造石墨、天然石墨、钛酸锂(LTO)和硅基材料等。
由几种负极材料的性能对比见图1，要满足高能量密度锂离子二次电池的需求，高容量低成本低电压平台的硅基材料是具有极大的潜力。
图1 几种负极材料性能对比锂离子嵌入过程中形成硅锂合金相, 对应的理论容量是天然石墨的十多倍。
同时, 硅在地球上储量丰富, 生产成本很低, 且硅的电压平台为0.3~0.5 V, 在充电过程中不存在析锂隐患, 大大提高了锂离子电池的安全使用性能。
但其在充放电过程中, 由于锂化和脱锂循环期间的高体积变化(200%-300%), 造成颗粒粉碎和其表面的固相电解质层重复形成, 最终导致硅基负极材料容量的损耗和循环性能较差等问题。
针对硅基负极材料在嵌锂和脱锂中存在的问题, 近些年研究者们通过对硅基材料的纳米化、复合化和核壳结构的改性设计, 有效地提高了硅基材料的循环性能。
本文主要深入分析和讨论硅基负极材料的储能及容量衰减机理, 从硅碳复合材料和SiOx(0<x≤2)基复合材料两条主线出发详细总结了硅基电极材料的结构设计及改性研究的最新国内外进展, 对未来的研究方向和应用前景作出了展望。
一、硅的电化学机理1.1脱嵌锂机理硅的脱嵌锂机理是通过与锂离子的合金化和去合金化进行的。
实际电化学嵌锂是晶态硅与非晶亚稳态LixSi共存的过程。
研究发现, 在低充电电位<0.5 V时, 硅锂合金化后最终形成相常见的是Li15Si4, 对应的理论质量比容量为3579mAh/g。
硅在常温下充放电过程如下式(1)~(3)所示：式(1)和(2)表示嵌锂过程; 式(3)表示脱锂过程; 式中a代表无定型, c代表结晶态。
1.2 失效机制硅在充放电过程中会发生巨大的体积膨胀效应, 如图2晶胞示意图所示, 理论上嵌锂生成Li22Si5晶胞体积膨胀300%左右。
锂电池负极材料的研究进展及展望分析目前锂电池负极材料的研究主要集中在碳基材料、硅基材料、金属氧化物等方面。
这些材料在锂电池中都有其独特的优势和局限性，而且针对不同种类的锂电池，对负极材料的要求也有所不同。
对这些负极材料的研究和发展，将有助于提高锂电池的性能和推动新一代电池技术的发展。
碳基材料一直是锂电池负极材料的主要研究方向之一。
石墨、石墨烯、碳纳米管等碳材料，因其导电性好、比表面积大、化学稳定性高等特点，被广泛应用于锂电池负极材料中。
通过控制碳材料的结构和微观形貌，可以有效提高其对锂离子的嵌入/脱嵌能力，提高其循环稳定性和倍率性能。
不过，碳材料在储锂过程中很难实现高容量储存，这一问题已成为碳基负极材料的研究难点之一。
硅基材料也是当前锂电池负极材料的研究热点。
与碳材料相比，硅具有更高的理论储锂容量，因此被认为是一种非常有前景的锂离子电池负极材料。
硅材料在锂离子嵌入/脱嵌过程中会发生体积膨胀，导致材料结构破坏，电化学活性和循环寿命大大降低。
为了解决硅材料的这一问题，研究者们通过合成纳米结构的硅材料、设计多孔结构、以及与碳等材料的复合等方法，取得了一些积极的进展，但仍然存在一定的挑战。
在未来，锂电池负极材料的研究将朝着以下几个方向发展：通过材料设计与合成新型的碳基材料，以提高其储锂容量，并且降低材料的制备成本。
研究者也将继续探索碳材料的微观结构与电化学性能之间的关系，找出铁电影响碳材料电化学行为的机理。
将进一步发展硅基负极材料的制备技术，通过纳米结构设计、表面涂层等方法，提高硅材料的循环稳定性和倍率性能。
也将探索硅基材料与其他材料的复合应用，以扩展硅材料在锂电池中的应用范围。
对金属氧化物的研究也将继续深入，以寻找新型金属氧化物材料，并且改进其结构与性能。
研究者也将进一步研究金属氧化物的嵌入/脱嵌机制，以解决其循环稳定性问题。
随着锂电池技术的不断发展和应用需求的不断增加，对锂电池负极材料的研究也将持续深入。
锂离子电池纳米级硅负极的研究进展
周向阳; 唐晶晶; 杨娟; 王松灿; 谢静
【期刊名称】《《电源技术》》
【年(卷),期】2012(36)8
【摘要】硅基材料是新一代高容量锂离子电池负极材料的典型代表,近年来已成为理论和应用研究的热点。
纳米硅基负极材料因具有独特的表面效应和尺寸效应等优点,可大大改善硅作为负极时所存在的循环性能,有望解决限制硅负极成为替代商业化石墨负极的瓶颈问题。
介绍了近年来纳米级硅负极作为锂离子电池负极材料的最新研究进展,包括纳米硅颗粒、硅纳米线、硅纳米管及纳米硅薄膜,分析了纳米硅作为锂离子电池负极材料存在的问题,总结了纳米级硅作为锂离子电池负极较为可行的研究方法,展望了纳米硅作为高能量密度锂离子电池负极材料的研究前景。
【总页数】4页(P1221-1224)
【作者】周向阳; 唐晶晶; 杨娟; 王松灿; 谢静
【作者单位】中南大学冶金科学与工程学院湖南长沙410083
【正文语种】中文
【中图分类】TM912
【相关文献】
1.锂离子电池中硅负极材料的研究进展 [J], 佟小萌
2.锂离子电池硅负极材料的改性研究进展 [J], 杜子胜;王江林;任晴晴
3.锂离子电池硅氧负极材料的研究进展 [J], 杨乐之;刘志宽;方自力;石润锋
4.生物高分子在锂离子电池硅负极中的研究进展 [J], 刘大进;吴强;何仁杰;余创;谢佳;程时杰
5.基于中空核壳结构的锂离子电池硅碳负极材料研究进展 [J], 陈鑫洪;张雪茹;张勇;吴玉程
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
锂离子电池硅基负极材料的纳米化和合金化探索1 前言：锂离子电池具有无记忆效应、自放电小、电压高、循环寿命长、环境友好等优点，是目前消费类电子产品的主要电源，正逐步向混合动力汽车、纯电动汽车和大规模储能领域扩展。
现有的商业化锂离子电池大多采用石墨作为负极材料，但其理论电化学储锂容量仅为372 mAh /g，远不能满足锂离子电池进一步提高能量密度的需求。
因此，发展新型高容量锂离子电池负极材料迫在眉睫。
Si作为锂离子电池负极材料，具有以下优点:① 储量丰富，在自然界中，Si占地壳总质量的四分之一以上。
② 原料成本低，且提炼Si的工艺相当成熟。
③ 电化学储锂容量高。
根据Li-Si 合金相图，Li最多可与Si形成化学计量比为Li22 Si5的合金，最高的理论电化学容量可达4199 mAh /g。
实验结果显示，在室温下，Si的电化学嵌锂产物是化学计量比为 Li15 Si4的合金，相应的理论电化学容量为3579 mAh/g，接近石墨负极材料的10倍。
④ 充放电电压平台较低，对锂电位为～0.5V，表面析锂可能性小，安全性要优于石墨材料。
基于以上优点，Si被认为是最具发展潜力的一种新型高容量锂离子电池负极材料。
然而，在电化学储锂过程中，Si与Li结合形成合金相过程的体积变化高达400%，巨大的体积效应会造成严重的机械应力，导致硅颗粒出现粉化，降低电极活性材料颗粒之间以及活性材料与集流体之间的电接触性能，使充放电过程中不能进行完全的脱嵌锂，电极的循环可逆容量迅速下降。
同时，颗粒粉化使得Si负极材料不断暴露出新鲜表面，其与电解质反应形成SEI膜，导致合金的本征容量下降和电解质损失。
此外，Si 的导电性能较差，电导率仅为6.7×10-4S/cm，严重影响其动力学性能。
这些缺点大大阻碍了Si基锂离子电池负极材料的实用化进程。
为了改善Si负极材料的电化学储锂性能，研究人员开展了大量的研究工作，其中，纳米化和合金化被证明是改善Si基锂离子电池负极材料的两种重要途径。
锂离子电池的研究进展综述锂离子电池的研究进展刘文 2015200807近十年以来，通过对新电极材料和新存储机理的开发研究，基于锂的可重复充电电池技术得到了飞跃发展，电池性能不断提高。
得益于纳米技术的不断探索发现，传统电池材料存在的许多重难点基础问题极有希望得到解决。
一、纳米技术致力于解决传统电池领域的哪些重大问题？1. 体积变化导致活性颗粒和电极的开裂与破碎传统嵌入式电极材料在充放电过程中的体积变化较小。
而对于新型的高容量电极材料而言，由于充放电过程中，大量Li物种嵌入和脱嵌，发生巨大的体积变化。
经过多次循环之后，活性颗粒和电极材料会开裂和破碎，影响电学传导，并造成容量降低，最终导致电池失效，大大缩短了电池的使用寿命。
据报道，合金型负极材料的体积膨胀率中，Si为420%，Ge和Sn为260%，P为300%。
而传统的石墨负极只有10%。
图1. 活性颗粒和电极材料在充放电过程中开裂和破碎的过程硅极负极的解决方案纳米材料一个天然优势就在于，其尺寸较小，可以在颗粒和电极层面上有效抵抗力学上的破坏。
高容量电极材料有一个基本参数，叫做临界破碎尺寸。
这个参数值取决于材料的反应类型（譬如合金反应，转化反应）、力学性能、结晶度、密度、形貌以及体积膨胀率等一系列参数。
而且，电化学反应速率对于颗粒的开裂和破碎影响重大，充放电速率越快，产生的应力就越大。
当颗粒尺寸小于这个临界尺寸时，锂化反应引起的应力就能得到有效控制，从而缓解颗粒的的开裂和破碎行为。
研究表明，Si纳米柱的临界尺寸是240-360 nm，Si纳米线的临界尺寸是300-400 nm，这一区间范围主要是受到电化学发宁速率的影响。
晶化Si纳米颗粒的临界尺寸大约是150 nm。
图2. Si纳米线负极材料可以适应应力的影响因此，颗粒的破碎问题可以通过使用低于临界尺寸的各种纳米结构材料来实现，譬如纳米柱、纳米线、纳米颗粒、纳米管、纳米棒、以及纳米复合材料等。
至于电极的破碎问题主要是采用一系列胶粘方法将Si纳米颗粒粘结在集流器上实现。
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硅电极在脱嵌锂的过程中的体积效应所造成的容量快速衰减, 是其实用化进程的巨大阻碍[7-8] . 在电化学储锂过程中, 每个硅原子平均结合44个锂原子后得到Li22Si5合金相, 造成材料的体积变化可达到300% 以上[9] . 由巨大的体积效应产生的机械应力会促进电极表面微裂纹的产生和传播, 使活性物质从集流体上逐渐破裂、脱落, 从而丧失与集流体的电接触, 造成电极循环性能迅速下降[10] . 另外, 由于硅本身是半导体材料, 本征电导率比较低, 仅有 6.7 × 10 - 4 S / cm, 故需加入导电剂来提高电极的导电性[11] . 为解决这一难题, 人们利用纳米硅粉体作为负极材料, 但研究表明, 锂离子在纳米硅材料中的反复嵌入和脱出会导致硅纳米颗粒发生不可逆的电化学烧结, 造成电池循环性能的急剧下降[12] .导致硅负极材料容量剧烈衰减的另一重要原因是现有电解液中的LiPF6 分解所产生微量HF 对硅造成了腐蚀[18] . 此外, 由于其剧烈的体积效应造成的颗粒粉化, 使得新的硅原子不断消耗Li + , 导致在常规的LiPF6电解液中难以形成稳定的表面固体电解质(solid electrolyte interface, SEI) 膜, 随着活性物质的粉化脱落和电极结构的破坏, 新暴露出的硅表面不断与电解液反应形成新SEI 膜, 导致充放电效率降低, 容量衰减加剧.为使硅材料具有高容量, 同时兼具有良好的循环性能, 目前主要通过以下3 种方法来改善硅基负极材料的电化学性能: ①制备硅纳米材料. 一则可减小硅的绝对体积变化, 另则制备非晶硅薄膜等以消除晶体硅的非均匀变形; ②制备硅基合金材料. 使硅与其他元素形成硅化物, 以减小材料体积变化; ③制备硅基复合材料. 使硅与其他非金属类材料复合, 通过缓冲基体的缓冲性能限制硅的体积变化。
