锂電池用矽基負極材料好還是碳負極材料好？
锂離子電池的容量决定于正极材料的活性锂离子以及负极材料的可嵌脱锂能力，正负极在各种环境下的稳定性决定电池的性能发挥，甚至严重影响电池的安全性，因此，电极的性能在一定程度上决定了锂離子電池的综合性能。
目前商业化锂離子電池负极材料主要为石墨类碳负极材料，其理论比容量仅为372mAh/g，严重限制了锂離子電池的进一步发展。硅基材料是在研负极材料中理论比容量最高的研究体系，理论比容量高达为4200mAh/g，因其低嵌锂电位、低原子质量、高能量密度，被认为是碳负极材料的替代性产品。然而，硅负极由于其在嵌脱锂循环过程中具有严重的体积膨胀和收缩，造成材料结构的破坏和机械粉碎，从而导致电极表现出较差的循环性能。
對單質矽的改性，主要通過摻入第二組元形成Si-M合金，降低矽合金的體積膨脹系數，或者通過各種工程技術使矽多孔化、納米化，爲矽的體積膨脹預留空間，減少矽體積效應對材料循環穩定性的影響。
1、矽的合金化
影響矽負極材料商業化最大的障礙是矽在充放電過程中較大的體積效應導致的材料粉化失效。實驗表明，引入第二組元形成體系能有效降低矽的體積膨脹系數，利用活性元素或者非活性元素本身的一些特性，如金屬延展性、成鍵特性等，緩解矽在嵌脫锂過程中産生的體積效應。
等將矽粉放在銅基體表面，在真空下加熱至2000℃，形成以Cu爲基體，自下而上從富銅態逐漸過渡到富Si態的Si-Cu合金薄膜負極材料。半電池測試顯示，100周循環後，薄膜樣品的質量比容量爲1250mAh/g，面積比容量爲1956mAh/cm3。但是過量的Cu導致部分晶態的矽存在，使得樣品的循環穩定性相對較差。
采用机械球磨及退火处理相结合的方法制备Si-Fe复合负极材料，利用Si-Fe合金良好的导电性和延展性来改善Si的循环性能。结果表明，经过实验处理后的物料部分达到了合金化，并且有不同形式的Si-Fe合金相形成，但合金化程度并不完全。Si-Fe合金的生成改善了Si作为锂離子電池负极材料的循环性能，且合金化程度越高，合金材料电化学性能越好。
2、矽的多孔化
矽的多孔化一方面能增加矽主體材料與電解液接觸的比表面積，提高锂離子往材料內部的輸運效率，增強材料的導電性，另一方面能爲矽在充放電過程中可能存在的體積膨脹預留空間，減少矽體積效應對極片的影響。矽的多孔化目前已被廣泛認爲是解決矽體積效應的有效手段。
3、矽的納米化
矽基負極材料研究人員普遍認爲，當矽的尺度小到一定程度後，矽體積效應的影響就可以相對減小，且小顆粒的矽配以相應的分散技術，容易爲矽顆粒預留足夠的膨脹空間，因此矽的納米化被認爲是解決矽基負極材料商業化的重要途徑。
碳包覆後的矽納米管陣列産品表現出良好的循環穩定性，100周循環後放電比容量仍達到3654mAh/g。
通过等离子体辅助放电的方法，以纳米硅及膨化石墨为原料，制备Si/石墨纳米片，并用作锂離子電池负极材料。结果表明，合成的Si/C复合样品具有较好的循环稳定性，嵌锂比容量为1000mAh/g，直至350周循环没有容量损失，库仑效率在99%以上。
雖然對矽單體的改性能在一定程度上減小矽的體積膨脹系數，但由于體積效應仍然存在，且矽本身的導電性不足以支撐锂離子的快速輸運，因此在矽基負極材料獲得商業化之前，仍需要進行大量的結構設計，以使其達到商業化應用要求。
核殼結構構造的目的在于通過外殼的基本特性爲矽或矽合金的體積膨脹提供緩沖層，將矽或矽合金的體積效應控制在核殼結構內。
以納米Si作內核，NiSi2/Ni作殼層包覆納米Si，並外包覆碳層，制備具有核殼結構的矽基負極材料。實驗樣品具有1194mAh/g的可逆比容量，105周循環容量保持率爲98%。該制備方法具有工藝簡單且成本低廉的特點。
声明： 本站部分文章及图片来源于互联网，如有侵权，请联系删除。
友情提示：留下您的需求和聯系方式,我們收到信息將第一時間聯系您！
| |
深圳市格瑞普電池有限公司
粵ICP備11041765號-6
版权所有 ©2025 格瑞普电池 |
HoME神波多一花在线ENTER NUMBET 004
