硅碳負極研究發(fā)展現(xiàn)狀

1、硅碳負極研究發(fā)展現(xiàn)狀（姜玉珍 山東青島 青島華世潔環(huán)?？萍加邢薰荆?鋰離子電池以能量密度高、循環(huán)壽命長和對環(huán)境友好等優(yōu)點正在逐步取代鎳氫電池，成為最有前途的儲能裝置。特別在最近幾年，隨著新能源汽車、便攜式電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，鋰離子電池得到了更廣泛的關(guān)注和更為深入的研究。負極材料是鋰離子電池的重要組成部分，它直接影響著電池的能量密度、循環(huán)壽命和安全性能等關(guān)鍵指標。未來的鋰離子電池負極材料必須向高容量方向發(fā)展，才能解決現(xiàn)有電池能量密度低的問題。硅材料是一種具有超高比容量(理論容量4200 mAh/g)的負極材料，是傳統(tǒng)碳系材料容量的十余倍，且放電平臺與之相當，因此被視作下一代鋰離子電池負極材料的

2、首選。 然而，純硅在充放電過程中會發(fā)生巨大的體積變化(體積膨脹率300%)，導致其粉化，進而影響到電池的安全性。另一方面，純硅的電子導電率較低，很難提升鋰離子電池的大電流充放電能力。針對上述兩方面問題，國內(nèi)外學者展開了大量的研發(fā)工作，本文就硅碳負極的研究發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述。1、硅碳負極目前存在的主要問題 在鋰離子電池首次充電過程中，鋰離子嵌入硅碳負極造成硅的體積膨脹，放電時，隨著鋰離子的脫出，硅碳負極體積收縮，硅的這種體積上的變化會產(chǎn)生大量的不可逆容量損失。造成首次放電效率低。隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，硅的體積膨脹會使得初次形成的SEI膜不斷遭到破壞，同時體積膨脹會露出新鮮的負極表面，新鮮表面又

3、會與電解液、鋰離子反應(yīng)再次形成SEI膜，如此循環(huán)往復，鋰離子電池的容量不斷降低，循環(huán)衰減嚴重，導致壽命降低。此外，納米級的硅粉價格較高，硅碳負極成本問題也是制約其發(fā)展的又一因素。針對首次效率低、循環(huán)容量衰減嚴重的問題，專家學者們通過復合改性、納米化等各種方式進行研究。2、硅碳負極制備方法2.1、靜電紡絲吉林師范大學的曲超群等人通過靜電紡絲制備出了硅碳負極粉料。其過程為：將PVP溶于乙醇制備0.5KG/L的溶液，按照Si:PVP=1:5加入硅粉，磁力攪拌、超聲分散均勻，以靜電紡絲方式制備前驅(qū)體，所得紡絲前驅(qū)體在馬弗爐中以5 /min的速率升溫至230預(yù)氧化30 min，然后置于通有氬氣保護的管式

4、爐中650燒結(jié)7 h隨爐冷卻后即得Si/C復合材料。材料首次0.1C放電容量為1156.8mAh/g，庫倫效率74.5%，第20次循環(huán)時材料的放電容量仍能夠維持在783.2 mAh/g。圖1、Si/C 復合負極材料在0.1C 倍率下的充放電曲線但是，該材料的倍率特性較差，將放電倍率提高到到1.0C，材料的放電容量為430.2 mAh/g。再次變換充放電倍率至2.0C時，材料的放電容量僅為346.3 mAh/g。2.2、高溫裂解瀝青西安建筑科技大學的欒振星等人通過高溫裂解瀝青的方式制備出了硅/碳/碳納米管復合材料。該方法是將碳納米管浸入H2SO4/HNO3溶液中震蕩攪拌12H，空氣中高溫處理4H

5、，將納米硅、碳納米管放入甲苯超聲分散，然后將其按比例倒入溶于甲苯的瀝青溶液中，攪拌均勻后真空干燥12H，氬氣下900保溫2H，將燒結(jié)產(chǎn)物進行球磨制備出負極粉末。相比于硅碳復合材料，硅/碳/碳納米管復合材料首次充放電容量更高，首次放電容量達1077mAh/g，首次庫倫效率74%，20周循環(huán)后可逆比容量達到703mAh/g。圖2、復合材料的首次充放電曲線圖3、硅/碳/碳納米管復合材料循環(huán)曲線2.3、高溫熱解法東南大學的徐慶艷等人以分析純葡萄糖、炭黑、無定形硅為原料，采用水熱法和高溫熱解法制備出了硅碳復合材料。其制備方法為：將無定形硅與葡萄糖溶于去離子水中機械攪拌制備混合液，電熱恒濕干燥箱內(nèi)將其進行180、15H水熱反應(yīng)，氮氣下650保溫6H得到硅碳復合材料。該材料的首次放電容量達1400mAh/g，循環(huán)20周后，可逆比容量為600mAh/g。圖4、硅碳復合材料的循環(huán)性能可以看到，該復合材料的循環(huán)容量衰減還是比較大。2.4、其他制備方法中科院上海硅酸鹽研究所以一氧化硅、蔗糖為原料，將其進行球磨、高溫燒結(jié)，采用碳熱原位還原法制備納米硅/碳復合材料。20%Si/80%C首次放電比容量為1035.2mAh/g，首次庫倫效率低于70%。西華師范大學以納米硅，天然石墨和蔗糖為前驅(qū)體，通過高能球磨和高溫裂解制備了一種殼核結(jié)構(gòu)的碳硅復合材料。該材料的首次放電容量為885mA