车用动力锂离子电池纳米硅/碳负极材料的制备技术与发展

• 作者: 何丹农 张芳 王惠亚 解启飞 赵立敏 邓秉浩
• 来源期刊: 材料导报
• 学科: 工学
• 关键词: 硅/碳负极 锂离子电池 高能量密度 包覆掺杂 硅基材料
• 年，卷（期）: 2020,（7）
• 所属期刊栏目: 无机非金属及其复合材料
• 页码范围: 7026-7035
• 页数: 10页
• 分类号: TM912.6
• 字数: 12150字
• 语种: 中文
• DOI: 10.11896/cldb.19020040

摘要

随着环境问题和能源问题的日益突出,传统汽车逐渐走向新能源化.锂离子电池具有放电电压平台高、自放电小、环境友好等优点,被认为是最有前景的新能源汽车动力之一.然而,随着人们对新能源汽车续航能力要求的逐渐提高,进一步提高汽车动力电池的能量密度成为当今社会研究的热点.目前,商业化车用动力锂离子电池的正极材料以磷酸铁锂(LiFePO4)和三元材料(Li(NixCoyMn1-x-y)O)为主,负极以石墨为主,其能量密度仅为200～300 Wh·kg-1.因此,提高汽车动力电池的能量密度,研发高能量密度的正负极材料是动力电池的研究方向之一.硅具有4200 mAh·g-1的超高理论比容量,是制备车用高能量密度型锂离子电池最有前景的负极材料之一.然而,硅在充放电反应中的剧烈体积变化严重阻碍了其商业应用.硅采用合金化反应方式储存锂离子,合金化反应在提供高比容量的同时伴随着300％的体积膨胀.剧烈的体积变化导致活性物质脱落、SEI膜持续形成等问题,进而导致实际使用时电池容量的快速衰减.此外,纯硅属于半导体,本征载流子浓度很低,无法满足电极对导电性的要求.解决上述问题最常用的方法有以下三种:(1)硅的纳米化.锂离子在固体中的扩散较为困难,在外加电场作用下,锂离子在硅中的扩散速度依然很慢.通过硅纳米化的方式可以缩短锂离子从硅表面到中心的扩散距离,有效缩短电池充电时间.(2)硅/碳复合.碳材料具有良好的循环稳定性和导电性,将硅与碳复合,碳可以缓冲硅在合金化反应中剧烈的体积变化,提高整个负极的电子电导率,外层碳壳能阻止硅和电解液的直接接触,形成稳定的SEI膜.(3)微观结构设计.中空核-壳结构、3D多孔结构等特殊结构可以缓解硅的体积膨胀效应,有效抑制电极材料的脱落.研究中经常综合使用上述三种方法来制备高性能纳米硅/碳负极材料,如3D多孔纳米硅/碳材料、中空核-壳纳米硅/碳材料等.本文先阐述了硅锂合金的电化学反应机理与容量衰减的原因,以及纳米硅的制备方法,然后从表面包覆、结构制备、掺杂、MOFs改性等方面对硅/碳复合材料的常见修饰方法进行了综述,并进一步分析了中空核-壳结构、多孔结构等在提高电化学性能上的优势.最后,本文总结了纳米硅/碳作为负极材料的优点与当前遇到的问题,归纳并分析了不同包覆材料、不同包覆方法和不同离子掺杂带来的性能差异及原因,提出未来纳米硅/碳产业化道路上的关键突破点,并展望了其在纯电动汽车领域的应用前景.

作者信息

序号	姓名	单位	发文数	被引次数	H指数	G指数
1	何丹农	上海交通大学材料科学与工程学院	116	1094	18.0	28.0
5	赵立敏	上海交通大学材料科学与工程学院	1	0	0.0	0.0
6	王惠亚	上海交通大学材料科学与工程学院	1	0	0.0	0.0
7	解启飞	上海交通大学材料科学与工程学院	1	0	0.0	0.0
8	邓秉浩	上海交通大学材料科学与工程学院	1	0	0.0	0.0
9	张芳		2	0	0.0	0.0