先进的高能密度锂离子电池应用研究

凤谷节能科技2019.1.8


电池材料在储能能力、耐久性、成本等方面的需求不断增加。最先进的高能密度锂离子电池是以层状锂过渡金属氧化物LiMo2(M=Ni、Co和Mn或Al)为阴极活性材料(≈150−200 mAh g−1可用放电容量)1−4和石墨(理论比容量为372 mAh g−1)为阳极活性材料。4,5将部分硅(Si)(对于Li 15 Si4,3579 mAh GSI−1)加入到负电极中被证明是进一步提高比能的有效策略。例如,Yim等人用石墨和硅粉(5 wt%)复合材料制备并测试了聚乙烯酰亚胺粘合剂阳极。根据作者的研究,在350次循环后,性能最好的电极的比容量为514 mAh g-1,比商业石墨阳极高1.6倍。然而,实现“高含量”和“高负载”硅阳极的稳定循环性能是非常具有挑战性的。硅作为阳极活性材料最严重的缺点是:(i)不可逆性大,尤其是在前两个循环中,例如与电解质发生副反应;(i i)与锂合金化后体积变化大,导致颗粒断裂和阳极自粉化。



请注意,所有这些不利影响不仅会在电池运行期间造成明显的阻抗积累,还会导致阴极的锂消耗。此外,研究表明,导电碳黑/粘合剂网络和/或集电器中的Si粒子的接触损耗会加速容量退化。13,14近年来,通过测试新的和/或改进的电解质、添加剂和聚合物粘合剂,人们做出了许多尝试来克服硅阳极的主要问题。11,13,15−17此外,重点是制备高级Si基氧化还原活性材料。从这些研究来看,这里只考虑了其中的一部分特别是Si和SiO x材料及其复合材料,最好是纳米碳,在未来的储能应用中具有前景。例如18-21,Breitung等人产生了一种由硅颗粒和含碳纳米纤维组成的复合材料,经过数百次循环后,比带有原始硅颗粒的电极的比容量高出约两倍。18 Hu等人结果表明,在硅存在下,通过对葡萄糖进行水热炭化,可以提高碳涂层硅颗粒的容量保持率。19在这些研究的启发下,在本研究中,我们旨在从聚合物预涂硅粒子制备具有核-壳型结构的纳米Si/C复合材料。采用电子显微镜、X射线衍射和拉曼光谱相结合的方法对700~900℃碳化后的粉末样品进行了表征,并通过半电池的恒电流循环实验研究了它们的锂储存性能。此外,通过原位压力、差示电化学质谱和声发射测量分别分析了使用Si/C复合粒子的实际电极的体积膨胀、放气行为和机械变形/降解。

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