年第 总第年 期?锂电资料分享??群： 闽南师范大学学报自然科学版 闽南师范大学学报自然科学版 年 期 锂离子电池硅基负极材料的研究进展 黄燕华 韩 响 陈松岩 集美大学诚毅学院福建厦门 厦门大学物理与机电工程学院福建厦门 摘 要 硅作为地球上储量丰富的材料因为其具有较高的理论比容量和较低的电压平台而成为最有前途的锂离子电 池负极材料但是硅负极材料具有较大的体积膨胀效应低电导率循环性能差等特点成为阻碍其商业化的最大障 研究者们采取了各种方法来克服这些困难本文总结了近期硅基负极材料通过纳米化复合化结构特殊化等方法 来提高电池性能的最新进展并展望硅基负极材料的发展方向 碍 关键词锂离子电池 硅基材料负极材料 中图分类号 文献标志码 文章编号 DOI:10.16007/jki.issn2095-7122.2015.02.012 锂离子电池具有大的能量密度高的开路电压长循环寿命等特性在手持式计算机移动电话和其他 便携式电子设备中得到广泛应用然而为了满足新的市场需求要求新一代锂离子电池具有更高的能量和 功率密度更低的成本 目前商用锂离子电池的负极以石墨类材料为主其理论容量很低且倍率性能不 因此科学家们致力于研究新型的高容量负极材料硅由于可以和锂形成二元合金且具有很高的理论 而备受关注另外硅具有低的脱嵌锂电压平台低于 与电解液反 佳 容量 应活性低在地壳中储量丰富价格低廉作为锂离子电池负极材料非常有发展前景 然而硅基负极材料的应用也面临缺点最大的挑战是硅材料在锂化和去锂化过程中体积发生巨大变 容易导致活性物质在充放电循环时发生急剧粉化脱落使得电极活性材料和集流体之间丧失 化 电接触同时 因为硅材料的体积膨胀问题 使其在电解液中无法产生稳定的固体电解质界面膜 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金项目 作者简介 黄燕华 女 福建省漳州市人 讲师 为通讯作者 锂电资料分享??群： 黄燕华 韩 响 陈松岩锂离子电池硅基负极材料的研究进展 第 期 导致循环性能降低和容量损失 此外硅的电导性较低严重限制了其容量的充 分利用以及阻碍了硅电极材料的倍率性能 在过去的十年里大量的科学研究重点在解决这些问题 利 用先进的纳米技术以及复合化技术已经获得了显著的进步提高了硅基负极材料的循环寿命和倍率性能 硅基材料的纳米化 纳米硅材料具有比表面积大离子扩散路径短蠕动性强及可塑性高等特点能在一定程度上缓解硅基 负极材料电池的体积效应提高材料的循环稳定性从空间维度上区分可将纳米硅材料改性成一维硅纳米 管硅纳米线二维硅薄膜三维多孔硅结构等 一维纳米化 所示由于硅纳米管具有中空结构可在锂化去锂化过程中为材料的体积膨胀提供更多的空 从而防止硅材料的粉化坍塌 另外由于硅纳米管的内部和外部都暴露在电解液中且管壁非常薄锂 离子的扩散距离会大大缩短在制备硅纳米管作为锂离子电池的负极材料时 最优先考虑的是硅纳米管的 等采用模板法制得封闭的纳米管状硅阵列作为锂离子电池负极材料该 和稳定的容量保持率 次循环后 虽然在锂化和去锂化过程 但是性能仍然良好理论分析表明管状结构内部空间提供 硅纳米管硅纳米线 如图 间 直径壁厚和长度 电极显示了高的初次库伦效率 中 材料产生了巨大的应力和体积膨胀 的自由表面承受了材料的机械应力材料体积变化呈可逆化轴向只发生了相对较小 的变化量 图 硅纳米管空隙在充放电过程中为 体积膨胀提供空间的示意图 图 硅纳米线充电时形态变化示意图 硅纳米线也表现出极好的应力和体积变化承受能力纳米线的直径在决定其机械应变性能方面起着重 要的作用纳米硅线在锂化过程中的扩散应力模型计算表明当纳米线的直径小于临界尺寸 拉伸 模式并金属诱导生长硅 跟理论值相当库仑效率为 硅纳