基于纳米硅碳负极材料的锂离子电池的研发

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• 英文论文题名：R&D on high energy density Li-ion batteries using Si-based anodes
• 论文作者：褚赓 ; 刘柏男 ; 陆浩 ; 罗飞 ; 郑杰允 ; 陈立泉 ; 李泓
• 英文论文作者：Geng Chu ; Bonan Liu ; Hao Lu ; Fei Luo ; Jieyun Zheng ; Liquan Chen ; Hong Li ; Institute of Physics ; CAS ; Tsinghua University ; Jiangxi Zicheng Technology Ltd.
• 年：2016
• 作者机构：中国科学院物理研究所;清华大学;江西紫宸科技有限公司;
• 论文关键词：锂离子电池 ; 硅负极
• 会议召开时间：2016-07-01
• 会议录名称：中国化学会第30届学术年会摘要集-第三十分会：化学电源
• 语种：中文
• 分类号：TM912
• 学会代码：ZGHY
• 会议名称：中国化学会第30届学术年会-第三十分会 ; 化学电源
• 会议地点：中国辽宁大连
• 主办单位：中国化学会
• 学会名称：中国化学会
• 页数：1
• 文件大小：82k
• 原文格式：D
• 会议级别：全国

摘要

提高锂离子电池的能量密度的有效途径之一是增加正负极材料的容量。负极材料中,硅的理论容量最高,且硅的原料价格较低,储量丰富,环境友好,因此一直以来是最具潜力的高容量负极材料,目前被视为下一代负极材料的首选材料。硅负极的研究历时已经二十余年,一直以来,主要面临着四个方面的挑战:1)硅的高容量带来的较大体积变化,这对于电极与电池的设计带来了很大的挑战,容易导致颗粒粉化,电极层与集流体脱落;2)裸漏的硅与有机电解质溶液的持续反应,由于硅颗粒或晶粒的较大体积变化,硅负极表面难以生长稳定的固体电解质膜,持续的反应会消耗正极、电解质中的锂,导致库仑效率较低、循环性降低、内阻不断增大;3)小尺寸纳米硅的制造成本较高,纳米硅的结晶度与结晶取向不易控制;4)复合材料中,纳米硅与碳的均匀分散较为困难,导致反应不均匀,颗粒容易粉化。为了解决上述问题,提出了多种解决方案。相对而言,碳包覆氧化亚硅在问题3、4方面解决的较好,循环特性优异,但在纳米尺度微观组成和结构均匀分布的氧化亚硅制备成本较高,初始库仑效率低,与其它硅负极材料一样,高容量伴随的体积膨胀较为显著,必须与石墨类负极材料混合使用,从而提高初始库仑效率、降低可逆容量、降低电极体积膨胀。目前混合后负极材料的可逆容量低于450 mAh/g。进一步的更高容量氧化亚硅负极需要通过预锂化解决库仑效率低及高膨胀的问题。纳米硅碳初始库仑效率较高,可逆容量可以超过2000 mAh/g,相对成本较低。但由于纳米硅晶粒尺寸较大,且微观尺度上纳米硅均匀分散不容易,各向异性体积膨胀,导致全电池循环性不如碳包覆氧化亚硅负极材料。合金类硅负极在全电池中循环性也不理想。本报告将综述物理所在碳包覆氧化亚硅、纳米硅碳、其它硅基负极材料方面的基础研究与应用开发进展,以及采用不同正极材料与之匹配的高能量密度锂离子电池的研究进展。
Our R&D efforts on various carbon coated nano-Si anodes and related Li-ion batteries with different cathodes,cell size and geometry are reported.

引文