◆摘? 要:如今鋰電池在諸如筆記本電腦,手機等電子產(chǎn)品中已得到了廣泛的應(yīng)用,并且在新一代的新能源電動汽車中也具有很好的應(yīng)用前景。此外儲能技術(shù)和新能發(fā)電技術(shù)如光伏發(fā)電,風(fēng)力發(fā)電的配合使用以得到穩(wěn)定的輸出功率中也有著不可或缺的作用,在航空航天技術(shù)中穩(wěn)定可靠高效的儲能器件也至關(guān)重要。鋰電池作為儲能器件中發(fā)展的最成熟,應(yīng)用最廣泛的器件,成為最有前景的儲能電池。本文以儲能系統(tǒng)為框架,以儲能系統(tǒng)的重大戰(zhàn)略意義為支撐,從提高儲能效率改進器件性能為出發(fā)點,從體積膨脹效應(yīng),電導(dǎo)率低等問題切入,著重分析體積膨脹的機理,微觀形貌的變化過程,基于此而從結(jié)構(gòu)角度探討一些改性方法,綜述了鋰離子電池硅納米負極材料的研究進展。
◆關(guān)鍵詞:鋰離子電池;硅納米負極材料;改性;結(jié)構(gòu)設(shè)計
1鋰離子電池簡介
鋰電池工作時的原理圖,以傳統(tǒng)鈷酸鋰電池為例,其中負極為石墨(若為硅則原理相同),正極為鈷酸鋰。通常一個鋰電池包含有陰陽二極用來收集電流導(dǎo)電,電解液可以使鋰離子在正負極之間傳輸,還可以避免正負極之間的直接接觸,陰極通常由金屬氧化物組成(鎳鈷猛三元材料,富鋰錳基等),陽極通常可由石墨,合金,硅等材料組成。鋰電池的充放電是由鋰離子的脫嵌來完成的,在此過程中鋰離子通過電解液穿梭于正負極之間。在放電過程中鋰離子從陽極材料中分離產(chǎn)生了鋰離子和電子,鋰離子通過電解液移向陰極,電子通過導(dǎo)線傳輸?shù)酵怆娐诽峁╇娔?,在充電過程中,鋰從陰極材料中脫出產(chǎn)生了鋰離子和電子,分別通過電解液和外電路導(dǎo)線移向陽極。
2硅納米負極材料之問題
另一個造成電極衰減的原因是SEI膜的形成。首圈充放電后SEI膜會在電極的表面形成,阻礙電解液與電極之間的接觸。它是由于電解液中的溶質(zhì)與分解后的溶質(zhì)相互作用而生成的,SEI膜允許鋰離子的傳導(dǎo),抑制電子的傳導(dǎo),這種行為限制了電解液的分解并且防止了容量的持續(xù)下降。不可逆容量以及倍率性能和循環(huán)性能都高度依賴于SEI膜的質(zhì)量。常用的電解鹽有LiPF6、LiAsF6、LiBOB、LiClO4和LiBF4這些電解鹽通常以混合物的形式溶解碳酸酯類溶劑如碳酸乙烯、二甲基碳酸二乙酯,碳酸二乙酯,碳酸丙烯中。
3硅負極材料的改進方法
采用硅納米管的結(jié)構(gòu)會增加硅電極與電解液的接觸面積,Park等制造出了一種納米管的結(jié)構(gòu)來克服因表面積不足而引起的電極極化所導(dǎo)致的容量的衰減。這種納米管結(jié)構(gòu)電極在200次循環(huán)充放電后的可逆容量為3200mAh/g,容量保持率為89%。但是在這種結(jié)構(gòu)中SEI膜仍然會造成一些問題,因為這種結(jié)構(gòu)無法避免充電過程中硅顆粒的膨脹。為了克服這個缺點Park等又在納米管外壁添加了一層碳包覆層。Wu等也制備了一種以SiO2為束縛層的雙壁納米管結(jié)構(gòu),這種DWSiNT結(jié)構(gòu)可以使鋰離子通過二氧化硅層進入電極但卻抑制了電解液的滲入。由于二氧化硅層具有機械穩(wěn)定性,所以在充電過程中納米管只會向內(nèi)擴展。在膨脹過程中SEI膜將保持不動,阻止了新的表面爆率和新的SEI膜的生成。圖5(a-c)顯示了二氧化硅限制層的優(yōu)勢,并且展示了它是如何是SEI膜穩(wěn)定的。圖5(d-f)展示了DWSiNT結(jié)構(gòu)的SEM和TEM形貌圖。圖5(a-b)展示了在硅納米線和納米管中硅層向外擴展所造成的SEI膜損壞的過程。這種膨脹效應(yīng)在其他的無限制層的結(jié)構(gòu)當(dāng)中也會存在。這種SEI膜將會持續(xù)不斷的生長直到膜的厚度可以限制膨脹效應(yīng)為止。
4總結(jié)與展望
隨著科技的日益發(fā)展,綠色新能源必將取代汽油、煤炭等具有污染特性的能源,成為為日常生活、工業(yè)生產(chǎn)等各行各業(yè)提供能源支持的產(chǎn)業(yè)支柱。鋰電池的發(fā)展前景廣闊,作為鋰離子電池關(guān)鍵組成部分的負極材料同樣具有良好的發(fā)展勢頭。在現(xiàn)有負極材料應(yīng)用良好市場基礎(chǔ)上需要日后人們克服困難及挑戰(zhàn)開發(fā)新的負極材料,以提高鋰離子電池的能量密度、功率密度以及電池的循環(huán)壽命。科技是企業(yè)的靈魂,掌握前沿科技的企業(yè)必將走在時代的前列。
Si/C復(fù)合材料結(jié)合了Si(高容量)和C(優(yōu)異的容量保持率,高導(dǎo)電率和低體積變化)的優(yōu)點成為最有希望用于實際應(yīng)用的高性能負極材料。本文總結(jié)了Si/C復(fù)合負極材料核殼結(jié)構(gòu)、蛋黃結(jié)構(gòu)、多孔型結(jié)構(gòu)和嵌入型結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)設(shè)計的最新研究進展,這些結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效地緩解體積變化問題,促進穩(wěn)定SEI膜的形成,改善復(fù)合材料的導(dǎo)電性。構(gòu)建SiO、/C復(fù)合材料也是實現(xiàn)可逆容量、高庫倫效率和容量保持的良好平衡的一種潛在途徑??紤]到材料的實用性,在設(shè)計和制造過程中應(yīng)同時考慮Si/C電極的重量和體積容量,還應(yīng)考慮具有成本效益的原材料和可擴展的制造路線,以實現(xiàn)低成本生產(chǎn)和高商業(yè)利潤。同時,應(yīng)繼續(xù)研究開發(fā)新型電解質(zhì)添加劑和聚合物粘合劑,以保證堅固的電極結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定SEI膜。將來,通過同時引入材料合成和結(jié)構(gòu)設(shè)計既念,對實現(xiàn)高性能S/C復(fù)合負極材料的進步發(fā)展具有重要意義。
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作者簡介
張強(1997.12—),男,蒙古族,籍貫:河北省承德市豐寧滿族自治縣,學(xué)歷:本科在校生,研究方向:鋰離子電池。