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    发表时间/2022-01-15
  • 碳是锂离子电池首选的活性基质之一

    目前商用锂离子电池的负极材料以石墨类材料为主,由于其理论比容量较低(比容量只有372mAh/g),且倍率性能不佳。因此,科学家们致力于研究新型的高容量负极材料,硅由于具有很高的理论比容量(4200mAh/g)而备受关注,其脱嵌锂电压平台低(<0.5V),和电解液反应活性低,在地壳中储量丰富,而且价格低廉,作为锂离子电池负极材料,具有广泛的发展前景。



    锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长和环境污染少等优点,成为世界各国研究的重点,并且在电脑、手机和其他便携式电子设备中得到了广泛应用。然而,随着电动汽车和先进电子设备的快速发展,对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。如何提高锂离子电池的能量密度,关键在于电极材料的改善和性能的提高。



    然而,硅在脱嵌锂过程中体积发生巨大的变化(300%),导致活性物质在充放电循环过程中发生急剧粉化脱落,使得电极活性物质和集流体之间丧失电接触。同时,由于硅材料的巨大体积膨胀,使得固体电解质界面膜在电解液中无法稳定地存在,导致循环寿命降低和容量损失。


    此外,硅的低电导性,严重限制了其容量的充分利用和硅电极材料的倍率性能。目前,解决这些问题的方法包括:纳米化、复合化和其他方法。纳米化和硅碳复合技术是科学家们的研究重点,且取得了显著的进步,提高了硅负极材料的循环性能和倍率性能。


    本文重要总结了硅碳复合技术的研究进展,包括硅/石墨复合材料、硅/无定型碳复合材料、硅/碳纳米管复合材料和硅/石墨烯复合材料4个方面。


    碳材料是硅基复合材料首选的活性基质之一,重要是因为碳材料的导电性能良好、体积变化小,此外,碳材料质量轻,来源丰富。硅材料包覆碳以后,可以增强材料的导电性能,防止硅纳米颗粒之间的团聚以及材料的体积膨胀,且碳表面可以形成一层比较稳定的、光滑的固体电解质界面膜,从而上升循环寿命,提高倍率性能。