登录注册
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
我要投稿
硅材料的选择与结构设计
1.无定型硅和硅的氧化物
(1)无定型硅
无定形硅在低电位下拥有较高的容量,作为锂离子电池负极材料"相比于石墨类电极材料安全性能更高。但无定形硅材料只能在有限程度上缓解颗粒的破碎和粉化,其循环稳定性仍不能满足作为高容量电池负极材料的要求。
(2)硅的氧化物
作为锂离子电池负极材料,SiO具有较高的理论比容量(1200mAh/g以上)、良好的循环性能以及较低的脱嵌锂电位,因此也是一种极具潜力的高容量锂离子电池负极材料。但氧化硅含氧量的不同也会影响其稳定性和可逆容量:随着氧化硅中氧的提高,循环性能提高,但可逆容量减小。
除此之外,硅氧化物作为锂离子电池负极材料还存在一些问题:由于首次嵌锂过程中Li2O和锂硅酸盐形成过程是不可逆的,使得首次库仑效率很低;同时Li2O和锂硅酸盐导电性差,使得电化学动力学性能较差,因而其倍率性能差;相比于单质硅,硅氧化物作为负极材料的循环稳定性更好,但是随着循环次数继续增加,其稳定性仍然很差。
2.低维硅材料
低维度的硅材料在同质量下拥有更大的表面积,利于材料与集流体和电解液的充分接触,减少由于锂离子不均匀扩散造成的应力和应变,提高材料的屈服强度和抗粉化能力,使得电极能够承受更大的应力和形变而不粉碎,进而获得更高的可逆容量和更好的循环稳定性。同时,较大的比表面积能承受更高的单位面积电流密度,因此低维硅材料的倍率性能也更好。
(1)硅纳米颗粒
相比于微米硅,使用纳米粒径硅的电极材料,其电化学性能无论是首次充放电比容量还是循环容量,都有明显的改善。
尽管纳米硅颗粒相对于微米硅颗粒有着更好的电化学性质,但当尺寸降至100nm以下时,硅活性颗粒在充放电过程中很容易发生团聚,而加快容量的衰减,且较大的比表面使得硅纳米粒子与电解液发生更多的接触,形成更多的SEI所以其电化学性能没有得到根本的改善。因此纳米硅经常与其他材料(如炭材料)复合用于锂离子电池负极材料。
(2)硅薄膜
在硅薄膜的脱嵌锂过程中,锂离子倾向于沿着垂直于薄膜的方向进行,因而硅薄膜的体积膨胀也主要沿着法线方向进行。相比于块状硅,使用硅薄膜可以有效抑制硅的体积效应。不同于其他形态的硅,薄膜硅不需要黏结剂,可作为电极直接加入锂离子电池中进行测试。硅薄膜的厚度对电极材料的电化学性能影响很大,随着厚度的增加,锂离子的脱嵌过程受到抑制。相比于微米级的硅薄膜,纳米级的硅薄膜负极材料表现出了更好的电化学性能。
(3)硅纳米线及纳米管
目前,已报道的能大量合成硅纳米线的方法主要包括激光烧蚀法、化学气相沉积法、热蒸发法和硅基底直接生长法等。
硅纳米管由于其特有的中空结构,相比于硅纳米线有着更好的电化学性能。硅纳米线/纳米管相比于硅颗粒,在脱嵌锂过程中横向体积效应不明显,而且不会像纳米硅颗粒一样发生粉碎失去电接触,因而循环稳定性更好。由于直径小,脱嵌锂更快更彻底,因而可逆比容量也很高。硅纳米管内外部的较大自由表面可以很好地适应径向的体积膨胀,在充放电过程中形成更稳定的SEI,使得材料呈现出较高的库仑效率。
3.多孔硅和中空结构硅
(1)多孔结构硅
合适的孔结构不仅能够促进锂离子在材料中快速脱嵌,提高材料的倍率性能,同时还能够缓冲电极在充放电过程中的体积效应,从而提高循环稳定性。在多孔硅材料的制备中,加入炭材料可以改善硅的导电性能并维持电极结构,进一步提高材料的电化学性能。制备多孔结构硅的常用方法有模板法、刻蚀法和镁热还原法。
近年来,镁热还原氧化硅制备硅基材料的方法引起了研究者的广泛关注。除了用球形氧化硅作为前驱体外,氧化硅分子筛由于自身为多孔结构,因而是一种常用来制备多孔硅材料的方法。常用的氧化硅前驱体主要有SBA-15、MCM-41等。由于硅的导电性差,在进行镁热还原后往往还会在多孔硅的表面包覆一层无定形碳。
(2)空心结构硅
空心结构是另外一种有效改善硅基材料电化学性能的途经,目前制备中空硅的方法主要为模板法。尽管中空硅的电化学性能优异,但是目前其制备成本仍然很高,而且同样存在着导电性较差等问题。通过设计蛋黄蛋壳(yolk-shell)结构并控制蛋黄与蛋壳之间的空间大小,在有效缓冲硅体积膨胀的同时,作为蛋壳的碳还可以提高材料的导电性,因此具有蛋黄蛋壳结构的碳硅复合材料的循环稳定性更好,可逆容量也更高。
硅基复合材料的制备
1.硅金属复合材料
将金属与硅复合,金属可以起到一定的支撑作用,在锂离子的嵌入脱出过程中阻止硅体积膨胀,降低粉化程度。金属与硅形成合金后,嵌锂的自由能更低,进而使嵌锂过程更容易。同时金属优异的导电性,可提高硅合金材料的动力学性能。因而金属与硅复合可以有效改善硅基复合材料的电化学性能。
Si-活性金属虽然比容量较高,但是由于活性金属本身也会出现粉化现象,因而循环性能差。而Si-非活性金属复合材料中非活性金属是惰性相,因而会大大降低硅材料的可逆容量,但是稳定性相应会略有提高。而当把Si与活性金属以及非活性金属一起混合形成复合物时,利用协同效应,就可以制备得到稳定性好且容量高的硅基电极材料。
2.硅炭复合材料
炭材料作为锂离子电池负极材料在充放电过程中体积变化小,具有良好的循环稳定性能和优异的导电性,因此常被用来与硅进行复合。在炭硅复合负极材料中,根据炭材料的种类可以将其分为两类:硅与传统炭材料和硅与新型炭材料的复合。其中传统炭材料主要包括石墨、中间相微球、炭黑和无定形碳。新型炭材料主要包括碳纳米管、碳纳米线、碳凝胶和石墨烯等。
(1)硅石墨/中间相炭微球复合材料
石墨具有优异的导电性,与硅复合后可以改善硅基材料自身导电性差的问题。常温条件下,硅与石墨化学稳定性很强,很难产生较强的作用力,因而高能球磨法和化学气相沉积法常被用来制备硅石墨复合材料。
中间相炭微球是沥青类有机化合物经过液相热缩聚反应和炭化形成的一种微米级的石墨化的炭材料,其具有优良的电化学循环特性,现已被广泛应用于商业锂电池负极材料。与石墨类似,将中间相沥青碳微球与硅复合也可提高硅极材料的电化学性能。
(2)硅炭黑复合材料
炭黑具有优异的导电性,研究者们也尝试将炭黑与硅进行复合用于锂离子电池负极材料。科学家通过高温处理炭黑得到导电网络结构,先后沉积硅及无定形碳,然后利用造粒机得到尺寸在15~30μm的硅炭复合材料。可逆容量高,循环稳定性好。
(3)硅碳纳米管/线复合材料
制备碳纤维的常用方法之一为静电纺丝法,通过将硅源加入到选取的前驱体中,即可得到硅碳纤维复合材料。通过直接混合或化学合成法也能制备得到硅碳纳米管/线复合材料。而碳纳米管/线常常被当作第二基体,作为导电网络起导电作用。
另外,化学气相沉积法是一种制备纳米线及纳米管的常用方法。利用化学气相沉积法可以在硅表面直接生长碳纤维或碳管,也可以将硅直接沉积生长在碳纤维碳管表面。
(4)硅碳凝胶复合材料
碳凝胶是一种通过溶胶/凝胶法制备的纳米多孔炭材料。碳凝胶内部保持了炭化前有机气凝胶的纳米网络结构,具有丰富的孔洞和连续的三维导电网络,起到缓冲硅体积膨胀的作用。由于碳凝胶的比表面积大,因此硅碳凝胶复合材料的首次不可逆容量很大。同时有机凝胶中的纳米硅在炭化过程中生成无定形SiOX并易分解成Si和SiO2,SiO2的存在会降低硅基材料的可逆容量,影响材料的电化学性能。
(5)硅石墨烯复合材料
石墨烯具有柔性度好、纵横比高、导电性优异和化学性能稳定等优点。良好的柔性使得石墨烯易于与活性物质复合得到具有包覆或层状结构的复合材料,并且可以有效缓冲充放电过程中的体积效应。相比于无定形碳,二维的石墨烯具有更优异的导电性,可以保证硅与硅、硅与集流体之间良好的电接触。而石墨烯本身也是一种优异的储能材料,将其与硅复合后,可显著提高硅基材料的循环稳定性和可逆容量。目前常用的制备硅石墨烯复合材料方法主要有简单混合法、抽虑法、化学气相沉积法、冻干法、喷雾法和自组装法等。
特别声明:北极星转载其他网站内容,出于传递更多信息而非盈利之目的,同时并不代表赞成其观点或证实其描述,内容仅供参考。版权归原作者所有,若有侵权,请联系我们删除。
凡来源注明北极星*网的内容为北极星原创,转载需获授权。
北极星电池网获悉,据滁州市人民政府发布消息,4月24日上午,星恒电源(滁州)年产4GWh锂离子电池项目开工仪式在中新苏滁高新区举行。据悉,该项目总投资18.3亿元,将于今年9月完成厂房建设,12月竣工投产,建成投产后可实现年产值约23.4亿元。
据长沙工信消息,4月18日,位于宁乡高新区的湖南阿斯米新材料有限公司自主研发的万吨级锂离子电池负极前驱体生产线正式启动,这是全球首台套万吨级锂离子电池负极前驱体连续自动化生产线。据了解,阿斯米公司投资30亿元建设锂离子电池石墨负极材料生产及相关设备制造基地项目,一期投资8亿元,设计年产
北极星储能网获悉,据延安招商局消息,4月22日,延安市首个锂离子电池储能项目在黄陵县举行签约仪式。该项目由上海润雅鸿真能源有限公司全资建设,总公司为天津润雅科技股份有限公司。本次签约项目位于黄陵县高新区技术产业园,总建设用地面积60亩,配置容量为300MW/600MWh的磷酸铁锂储能系统,配套一
近日,研究机构EVTank联合伊维经济研究院共同发布了《中国小软包锂离子电池行业发展白皮书(2024年)》。白皮书数据显示,2023年全球小软包锂离子电池出货量54.8亿只,同比下滑2.6%,已经连续两年同比下滑。EVTank表示,全球小软包电池出货量的下滑叠加价格的下跌导致整个行业的市场规模在2023年同比下
日前,合康新能在在互动平台上表示,公司目前没有研发储能锂离子电池。
天力锂能4月16日在投资者互动平台表示,公司2023年研发投入占比接近往年水平,暂未研发锂硫电池。
北极星电池网获悉,据八闽国资消息,近日,宁德70000吨锂离子电池正极材料(CD车间)项目主体结构封顶仪式顺利完成。该项目是福建省重点项目,总投资24.45亿元,主要建设C、D两幢车间及相关配套,项目建成投产后,预计可年产7万吨锂离子电池正极材料。
得益于电池技术不断提升,以及中高端新能源乘用车车型增多,新能源汽车电池包容量越做越大正成为趋势。电池中国观察到,近段时间,国内多款热门中高端新车均搭载了70kWh-150kWh带电量的“大”电池包,纯电续航里程超600公里,甚至1000公里。这意味着“大”电池包已成为中高端新车标配,(超)长续航也成
北极星电池网获悉,据贝特瑞消息,4月8日上午,贝特瑞地中海年产5万吨锂离子电池正极材料项目在摩洛哥丹吉尔科技城举行开工仪式。贝特瑞地中海公司董事长杨顺毅,贝特瑞地中海公司总经理杨平州,丹吉尔地中海港集团服务板块董事长/摩洛哥丹吉尔科技城(SATT)总经理JaafarMrhardy,SATT常务副总经理/CR
4月9日,宁德时代德国图林根工厂获得了大众汽车集团模组测试实验室及电芯测试实验室双认证,成为全球首家获得大众集团模组认证、欧洲首家获得大众集团电芯认证的电池制造商(全球首家获得大众集团电芯认证的电池制造商为宁德时代集团总部)。此次认证,是国际一流车企对宁德时代测试验证能力,以及技术
在全球绿色能源和技术的发展浪潮下,我国电源结构持续优化,可再生能源发电装机规模屡创新高。目前,我国已建成了世界上最大的清洁电力供应体系,在全球清洁能源技术价值链中发挥着核心作用。不同于传统能源的是,可再生能源存在着供应不稳定的特点。不同地区、气候下的能源供需存在巨大的差异,在传统
近日,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员刘建军团队与华中科技大学教授黄云辉团队通过合作研究,设计有机共轭分子的三维折扇排列与过渡金属离子配位构建纳米金属有机框架(MOF)材料苝四甲酸锌(Zn-PTCA),首次突破共轭碳环储钠的电化学活化,极大地提高了电极材料的储钠容量,为进一步设计新型高比容量电
随着可充电(二次)电池在能源领域的广泛应用,具有更高能量密度、更大功率密度的可充电电池体系成为研究人员追逐的研究热点。近年来,随着二次电池锂离子电池、钾离子电池、镁离子电池以及铝离子电池等的发展,开发匹配以上二次电池高性能的电极材料成为能否实现新型高性能储能与能量转换等目标的关键。
北极星储能网讯,4月26日,华软科技发布《关于终止投资建设锂电池电解液添加剂项目的公告》。根据公告显示,华软科技决定终止年产12000吨锂电池电解液添加剂项目和年产6000吨氟代碳酸乙烯酯(FEC)锂电池电解液添加剂项目。据了解,2021年,华软科技控股子公司北京奥得赛化学有限公司的全资子公司武穴
北极星储能网获悉,4月3日,瑞泰新材在回复投资提问时表示,公司的锂离子电池电解液添加剂以锂盐类添加剂为主,包括双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)以及三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)等,锂离子电池电解液添加剂现有产能共计487.5吨。公司与国内外多家固态电池企业均有合作,将
北极星电池网获悉,多氟多日前在机构调研时表示,公司是较早进行钠离子电池材料研发并逐渐形成一体化产业布局的企业之一,六氟磷酸钠供应大部分钠离子电池电解液企业,客户涵盖多家主流钠离子电池和电解液厂商。未来随着钠离子电池技术的发展和进步,公司六氟磷酸钠将会得到更广泛的应用。目前公司已完
北极星电池网获悉,3月27日晚间丰山集团发布股票交易异常波动公告称,公司股票交易连续三个交易日(2024年3月25日、2024年3月26日、2024年3月27日)收盘价格涨幅偏离值累计超过20%,根据《上海证券交易所交易规则》的有关规定,公司股票交易属于异常波动的情况。丰山集团表示,经公司自查并向控股股东
北极星储能网获悉,龙佰集团3月20日在回复投资者提问时表示,公司拥有的多个大型钒钛磁铁矿,储量巨大,具有丰富的钒资源。公司800吨/年废酸提钒项目已达标达产并实现对外销售。钒钛铁精矿碱性球团湿法工艺年产3万吨五氧化二钒创新示范工程目前正在推进中。公司看好钒电产业的未来发展,已经开始着手研
北极星储能网讯,近日,有投资者在互动问答平台询问海科新源子公司湖北宜昌占地1010亩投资105亿生产电解溶剂及添加剂等;是否已经投产?就目前进度能够为公司带来多少产能?海科新源回复:湖北25万吨电解液溶剂项目已建成投产,目前装置正常运行,1.27万吨添加剂项目正在建设中。
北极星储能网讯,近日,天赐材料发布《关于液体六氟磷酸锂产线停产检修的公告》。根据公告显示,公司计划于2024年3月11日开始对年产3万吨液体六氟磷酸锂产线进行停产检修,预计检修时间不超过30天。据了解,六氟磷酸锂是电解液成分最重要的组成部分。
北极星储能网获悉,3月5日,多氟多公告,董事会同意子公司在韩国设立合资公司,合资公司拟投资总额约为1300亿韩元(约7.01亿元人民币)。根据公告,多氟多子公司HFRNEWENERGYPTE.LTD与SoulbrainHoldingsCo.,Ltd.(以下简称“SBH”)设立合资公司(英文名称为S6FNEWENERGYCo.,Ltd.,暂定名),投资总额为1
北极星储能网获悉,瑞泰新材3月5日在回复投资者提问时表示,公司主要产品锂离子电池材料的最重要应用为新能源汽车电池和锂离子储能电池,这两种应用分别属于国家发展和改革委员会《绿色产业指导目录(2023年版)》(征求意见稿)中“节能降碳产业”和“清洁能源产业”的相关范畴;公司锂离子电池电解液
北极星储能网获悉,2月6日,安徽荻港海螺3MW/18MWh全钒液流电池电解液租赁服务中标结果公告。公告显示,安徽海螺洁能科技有限公司中标该项目,中标金额:1386000元/年。招标文件显示,文件明确采购需求:(1)提供3MW/18MWh全钒液流电池电解液的租赁服务;(2)维护和保证钒电池电解液的正常使用等。最
近日,大连化物所催化基础国家重点实验室无机膜与催化新材料研究组(504组)杨维慎研究员和朱凯月研究员团队在锌离子电池电解液研究方面取得新进展,揭示了电解液中水含量对正负极界面动力学和可逆性的影响,发现通过适当的调控电解液中的水含量,可以打破锌离子电池中高容量和长寿命难以兼得的限制,
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
姓名: | |
性别: | |
出生日期: | |
邮箱: | |
所在地区: | |
行业类别: | |
工作经验: | |
学历: | |
公司名称: | |
任职岗位: |
我们将会第一时间为您推送相关内容!