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未来它将取代石墨成为锂离子电池负极?

2018-7-11
        锂离子电池因较高的容量和稳定的循环寿命,被认为是满足便携式电子器件、电动及混合动力汽车日益增加的能源需求的电源。负极材料处于其产业中最关键的环节,硅碳作为锂离子电池负极材料,具有高储锂容量、良好电子通道、较小应变及促使SEI膜稳定生长的环境,有望成为下一代高能量密度锂离子电池负极材料。本文主要对现有的锂离子电池负极以及硅碳复合负极材料的结构种类进行总结。
现有的锂离子电池负极材料
        锂离子电池负极材料主要为碳材料和非碳材料,其中碳材料又可以分为石墨类碳材料和无定型碳材料,石墨类碳材料有天然石墨、人造石墨和改性石墨;无定形碳材料有易石墨化碳材料和难石墨化碳材料;而非碳材料方面主要包括锡基材料、硅基材料、氮化物、钛基材料。
        石墨类负极作为主要的负极材料,应用已经非常广泛,但是其容量已经接近理论容量,很难再提升。硅与碳化学性质相近,在硅碳复合体系中,Si颗粒作为活性物质,提供储锂容量;C既能缓冲充放电过程中Si的体积变化,又能改善Si的导电性,还能避免Si颗粒在充放电循环中发生团聚。因此硅碳复合材料综合了二者的优点,表现出高比容量和较长循环寿命,有望代替石墨成为新一代锂离子电池负极材料。
不同结构的硅碳负极材料
1. 包覆型复合材料
        包覆结构是在硅表面包覆碳层,缓解硅的体积效应,增强导电性。根据包覆结构和硅颗粒形貌,包覆结构可分为核壳型、蛋黄-壳型以及多孔型。其优点在于硅含量高,有助于储锂容量的提高,表面良好的包覆碳层可以有效地缓冲硅的体积效应,增强电子电导,同时产生稳定的SEI膜,稳定复合材料与电解液的界面。
2. 嵌入型复合材料
        嵌入型是最常见的硅碳复合结构,是将硅颗粒通过物理或者化学手段分散到碳载体中,二者紧密结合,形成稳定的两相或者多相体系。与包覆型相比较,嵌入型复合材料的硅含量较低,可逆容量通常也较低,但是碳含量高,稳定性较好。
3. 掺杂型复合材料
(1)氮掺杂型硅碳负极材料
        氮掺杂的碳具有较高的导电性和电化学活性,并有助于界面中锂离子的传输。氮掺杂层可以防止电极材料与电解液的直接接触,且可提高复合材料和锂离子在电极和电解液界面上的传输速率。同时,氮掺杂的碳涂层在促进和保持稳定的SEI层中提供了一个有效的电子传输途径,促进了脱嵌锂反应。
(2)三元硅/碳复合材料
        硅/碳/石墨负极材料——硅负极材料最大的缺陷是当硅最大锂化时,其体积膨胀率高达300%。减少硅体积膨胀效应,并充分利用硅超高可逆容量的一种方法是将石墨与其结合。石墨、碳和硅复合材料可提供可观的可逆容量,并可有效减少负极材料的体积膨胀。
        硅/碳/石墨烯负极材料——石墨烯具有高导电性、高强度、高化学稳定性、超高的比表面积和开放的多孔结构等特性,具有对锂电池电极材料体积变化的灵活约束作用。由于大比表面积、高导电性和良好的放电能力,石墨烯可以提高硅基复合电极的电化学性能,改善了大电流密度下的循环稳定性。
        硅碳作为锂离子电池负极材料,具有高储锂容量、良好电子通道、较小应变及促使SEI膜稳定生长的环境。同时,它身上也有不少问题,如电极膨胀效率高,成本高等,但瑕不掩瑜,在未来,它或许可以取代石墨成为下一代高能量密度锂离子电池负极材料。
本文由苏州亚科科技股份有限公司编辑