xx大學應用化工技術專業(yè)大專畢業(yè)論文

1、XX大學應用化工技術專業(yè)大專畢業(yè)論文1鋰離子電池硅基負極材料研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢鋰離子電池硅基負極材料研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢摘要:硅基負極材料因具有高電化學容量是一種極具發(fā)展前景的鋰離子電池負極材料.評述單質硅、硅金屬合金、硅碳復合材料以及其他硅基復合材料作為鋰離子二次電池負極材料的最新研究成果分析鋰離子電池硅負極材料存在問題探討硅基負極材料的合成、制備工藝以及未來硅基材料的研究方向和應用前景.分析結果表明通過硅的納米化、無定形化、合金化及復

2、合化等技術手段實現(xiàn)硅基負極材料同時兼?zhèn)涓呷萘俊㈤L壽命、高庫倫效率和倍率性能是未來的主要發(fā)展方向.關鍵詞:應用化學鋰離子電池負極材料硅基復合材料。鋰離子二次電池因具有比能量高、充放電壽命長、無記憶效應、自放電率低、快速充電、無污染、工作溫度范圍寬和安全可靠等優(yōu)點已成為現(xiàn)代通訊、便攜式電子產品和混合動力汽車等的理想化學電源.在制造鋰離子二次電池的關鍵材料中負極材料是決定鋰離子電池工作性能和價格的重要因素.目前商業(yè)化的負極材料主要是石墨類碳負

3、極材料其實際容量已接近理論值(372mAhg)因此不能滿足高能量密度鋰離子微電池的要求.另一方面石墨的嵌鋰電位平臺接近金屬鋰的沉積電勢快速充電或低溫充電過程中易發(fā)生“析鋰”現(xiàn)象從而引發(fā)安全隱患.此外石墨材料的溶劑相容性差在含碳酸丙烯酯等的低溫電解液中易發(fā)生剝離導致容量衰減[1].因此尋求高容量、長壽命、安全可靠的新型負極材料來代替石墨類碳負極是鋰離子電池發(fā)展的迫切需要.在各種新型合金化儲鋰的材料中硅容量最高能和鋰形成Li12Si7、Li

4、13Si4、Li7Si3、Li15Si4和Li22Si5等合金理論儲鋰容量高達4212mAhg超過石墨容量的10倍[23]硅基負極材料還具有與電解液反應活性低和嵌鋰電位低(低于0.5V)等優(yōu)點[45].硅的嵌鋰電壓平臺略高于石墨在充電時難以引起表面鋰沉積的現(xiàn)象安全性能優(yōu)于石墨負極材料[6].此外硅是地殼中豐度最高的元素之一其來源廣泛價格便宜沒有毒性對于硅負極材料的商業(yè)化應用具有極大的優(yōu)勢.本文評述了近年來單質硅、硅金屬合金以及硅碳復合材

5、料和其他硅基復XX大學應用化工技術專業(yè)大專畢業(yè)論文3為解決純硅負極材料的巨大體積效應帶來的活性物質從電極上粉化脫落的問題單質硅負極材料制造工藝應向多元方向發(fā)展.其主要方向之一為硅納米化.納米化可分為零維納米化、一維納米化和二維納米化.零維納米化是指通過不同工藝技術制備納米硅粉體[19].顆粒細化可減弱硅的絕對體積變化同時縮短鋰離子在負極材料中的擴散距離提高電化學反應速率.但由于硅活性納米顆粒具有極高的表面能在充放電過程中很容易團聚且當尺

6、寸降至100nm以下時納米顆粒將發(fā)生“電化學燒結”反而加快了容量的迅速衰減.再者硅納米顆粒的比表面積很大增大了活性物質與電解液的直接接觸消耗大量的鋰離子導致副反應增多及不可逆容量的增加降低了庫侖效率.另外納米硅粉主要通過激光法制備生產成本高.一維納米化是指制備硅納米線及硅納米管有粉末材料和在集流體上直接生長兩種類型[2023].硅納米線可以減小循環(huán)過程中徑向上的體積變化獲得良好的循環(huán)穩(wěn)定性并在軸向為鋰離子提供快速傳輸通道減小了鋰離子的擴

7、散距離和電子的傳導距離.Chan等[24]通過“氣液固”(vapliquidsolidVLS)氣相法制得一維硅納米線結果表明在0.2C充放電倍率下容量衰減緩慢循環(huán)20次后容量仍穩(wěn)定在3500mAhg容量保持率維持在75%左右.Ge等[6]利用化學刻蝕技術制備了硼摻雜的多孔硅納米線在2Ag的充放電電流下循環(huán)250次后仍能保持2000mAhg的容量顯示出優(yōu)異的結構穩(wěn)定性和電化學性能.這是因為硅納米線的脫嵌鋰機制很大程度上緩解了循環(huán)過程中因體

8、積膨脹所引發(fā)的活性物質從集流體上粉碎脫離的現(xiàn)象此外一維硅納米線生長形態(tài)也縮短了鋰離子的擴散距離有利于電子的快速傳導.三、硅合金化三、硅合金化為改善硅負極材料在循環(huán)過程中活性材料的粉化與脫落導致電接觸差容量衰減快循環(huán)性能較差的問題人們開始尋找緩沖基體以抑制硅在充放電循環(huán)過程中的體積變化.硅基材料的復合化主要是在降低硅活性相體積膨脹的同時引入體積效應小、導電性好的緩沖基體制備出多相復合負極材料.通過增加導電性和基體間體積補償?shù)确绞教岣卟牧系?/p>