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‘亚博网页登录’前沿:硅碳负极材料最新研究进展

2021-01-21 04:13

本文摘要:硅系材料作为锂离子电池的负极具有容量低、源普遍、环保等优点,将取代现在普遍的石墨负极成为新一代锂离子电池的主要负极材料。本文从材料的自由选择、结构设计及电极优化方面详细说明了硅/碳复合材料的最近研究进展,并就未来的发展方向展开了未来的发展。随着时代市场需求的迅速发展,锂离子电池的能量密度以每年7%~10%的比例提高。

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硅系材料作为锂离子电池的负极具有容量低、源普遍、环保等优点,将取代现在普遍的石墨负极成为新一代锂离子电池的主要负极材料。本文从材料的自由选择、结构设计及电极优化方面详细说明了硅/碳复合材料的最近研究进展,并就未来的发展方向展开了未来的发展。随着时代市场需求的迅速发展,锂离子电池的能量密度以每年7%~10%的比例提高。

2016年,我国发布了动力电池的能量密度硬性指标,表明《节约能源与新能源汽车技术路线图》、2016年电动汽车动力电池的能量密度目标为350w 6550w ̄h/kg。为了满足下一代的能源需求,开发新型锂负极技术是当务之急。硅在常温下可以与锂合金化,分解Li15Si4相互理论比容量高达3572 MA、h/g,远远高于商业化石墨理论比容量(372 MA、h/g ),地壳元素中储量非常丰富(26.4%,第二位)。

但是,硅在充放电过程中不存在相当严重的体积收缩(~300% ),极大的体积效应和低的电导率允许硅负极技术的商业化应用。为了解决这些缺损,研究者开展了很多尝试,采用复合化技术利用“缓冲器骨架”来补偿材料的收缩。碳质负极材料在充放电中的体积变化小,具有良好的循环稳定性能,而且碳质负极材料本身是离子和电子的混合导体。

另外,硅与碳的化学性质相似,两者可以密切结合,因此碳经常不作为与硅填充的选择基质使用。在Si/C填充系统中,Si粒子作为活性物质取得锂嵌入容量。c可以在缓冲区充放电中抑制硅负极的体积变化,同时提高Si质材料的导电性,可以避免在充放电循环中Si粒子再次成为家族。

因此,Si/C复合材料综合了两者的优点,显示出高比容量和长的循环寿命,将来将替换石墨成为新一代锂离子电池的负极材料。近年来,硅碳负极材料技术发展迅速,至今少量的产品构筑已经实用化,日本日立集团Maxell公司已经开发出了以“SiO-C”材料为负极的新锂电池,顺利应用于智能手机等商业化产品。但是硅碳负极锂离子电池的距离确实应用了大规模的商业化,依然有很多科学问题亟待解决。

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本文从材料自由选择、结构设计及电极优化等方面综述了硅/碳复合材料近年来的研究进展,对硅碳材料的发展趋势不进行可行性的未来发展,进一步研究获得高性能锂离子电池负极用硅碳复合材料硅碳复合材料的结构设计来自硅碳复合材料的结构,目前研究的硅碳复合材料可以分为壳结构和映射结构。1.1外壳结构外壳结构在活性物质硅表面外壳碳层,减轻硅的体积效果,强化其导电性。根据外壳结构和硅粒子的形态,外壳结构可以分为核壳型、蛋黄壳型和多孔型。

1.1.1核壳型核壳型硅/碳复合材料以硅粒子为核,在核外面均匀分布外壳的碳层。碳层的存在不仅减少了硅的电导率,而且减少了缓冲硅在锂释放过程中的部分体积效应,最大限度地减少了硅表面和电解液的必要认识,减轻了电解液的分解,提高了电极整体的循环性能。

张等人采用乳液聚合法在硅纳米粒子表面外包聚丙烯腈(PAN ),经过800的热处理得到了硅碳核壳结构复合材料(SiC )。非晶碳层在充放电中诱导硅粒子的家族,SiC在20次循环后容量保持在初期容量的50%左右。与此相对,硅纳米粒子在20次循环后的容量变动相当大。

Hwa等人以聚乙烯醇(PVA )为碳源,通过在惰性气氛下用高温热解开在硅纳米粒子上展开的碳壳,得到了碳壳层厚度为5~10nm的硅碳复合材料。通过使用硅纳米粒子,可以减少硅的意义著体积效果,减弱材料内部应变,碳壳进一步缓冲硅核的收缩,该复合材料即使以100mA/g电流循环50次,比容量平均为1800 ma ̄h/g,具有优异的循环稳定Xu等人从高温浸渍凝固的略氟乙烯(PVDF )中得到核壳型硅碳复合材料,其碳层的厚度为20~30nm。

该硅碳复合材料的电极在0.02~1.5V的电压范围内,50mA/g电流条件下的初次共轭比容量为1328.8 ma,h/g,30次循环后将c放入怀里),听了图1。SiSiO2C与单壳层SiC相比具备更高的容量维持亲率,在0.01~5V的电压范围内循环100次后也具备785 ma、h/g的共轭容量。有人指出,中间层SiO2作为缓冲区相互作用,可以进一步增大循环过程中产生的收缩变形。

另外,SiO2层与蔓延的Li再次发生不可逆反应,分解Si和Li4SiO4合金,可以进一步确保材料的共轭容量。


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