锂离子电池硅基负极材料研究进展

锂电

第３６卷２００７年

第８期８月

ＲＡＲＥ

ＭＥＴＡＬ～脚ＥＲＩＡＬＳＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲｎ叮Ｇ

稀有金属材料与工程

Ｖｂｌ．３６．Ｎｏ．８Ａｕｇｕｓｔ２００７

锂离子电池硅基负极材料研究进展

赵吉诗，何向明，万春荣，姜长印

（清华大学核能与新能源技术研究院，北京１０００８４）

摘要：本文主要介绍近年来硅及含硅材料作为锂离子电池负极材料的研究进展，包括硅单质、硅的氧化物以及硅的金属化合物和其它硅基多元化合物；分析了硅基材料作为锂离子电池负极材料存在的问题；阐述了硅基材料作为锂离子电池负极材料的研究前景。

关键词：硅；负极材料；锂离子电池中图法分类号：ＴＭ９１２．６

文献标识码ｔ

Ａ

文章编号：１００２．１８５ｘ（２００７）０８．１４９０．０５

锂离子电池的技术关键在于负极，其研发工作一直处于极为活跃的状态。其中，开发具有更高比容量、良好电化学性能的负极材料是锂离子电池研究的重要课题。目前，已经实现商业化应用的锂离子电池负极材料局限于以石墨为代表的碳素材料，其最大理论比容量仅有３７２ｍＡｈ儋，已不能满足电池应用的要求【ｌ叫。硅及含硅材料以其高达４０００ｍＡＵｇ的比容量，被认为是一种很有前途的负极材料［４＇５】，近几年来，硅基负极的研究已有了很大进展。

本文综述了硅及硅基锂离子电池负极材料的研究进展，分析了锂离子电池硅基负极材料存在的主要问题，阐述了硅基材料作为锂离子电池负极材料的研究方向及其实现产业化应用的可能性。

１

１．１

ｍＡｌｌ／ｇ，但是经过４０次充放电循环后迅速衰降。研究发现，控制充电容量为４００ｍＡｈ儋时，电极寿命增加到１５００次循环，可见，降低充电容量能改善电极循环性能。

采用低真空气相沉积法在镍箔上制备的无定型硅薄膜电极比容量达到１７００～２２００ｍＡｈ／ｇ，其首次不可逆容量较低［９￣１１】，经过５００次循环，硅膜结构完整。研究表明，电极循环性能和嵌锂容量取决于硅膜的厚度，硅膜越薄，其嵌锂比容量越高。

Ｍａｒａｎｃｈｉ等［１２］采用射频磁电管溅射法（ｒａｄｉｏ—

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍａｇｎｅｔｒｏｎ

ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）在铜箔上制备２５０ｎｍ

和１ｕｍ的非晶硅薄膜，并研究了膜厚度对电极性能的

影响。结果表明，２５０ｎｍ厚的非晶硅膜具有更好的电化学性能，经过３０次循环，其比容量接近３５００

ｍＡｌｌ／ｇ。

硅及其非金属复合负极材料

单质硅

锂与硅反应可得到不同的产物，如Ｌｉｌ２Ｓｉ７，Ｌｉｌ３ｓｉ４，

ＳＥＭ观察显示，较薄的膜与铜箔接触更好，使得电极具有更小的内阻。Ｌｅｅ等［”］发现铜箔的表面形貌对电极性能影响显著：表面粗糙的铜箔上沉积的薄膜电极具有更好的性能，经过３０次循环其比容量在１５００ｍＡｈ儋以上，优于以平整表面的铜箔作为基底的电极。

薄膜形态的单质硅负极的循环性还受到其它因素的影响，如窗口电压和电极材料的尺寸等【１４，１５】。对于非晶硅薄膜（５０ｎｍ）电极，电压在０～３Ｖ范围内，其最大放电比容量为４０００ｍＡｈ／ｇ，循环性能差；调整窗口电压为０．２～３Ｖ，循环寿命超过４００次，但放电比容量降低，仅为４００ｍＡｈ／ｇ。同时，纳米尺寸的硅能显著提高薄膜电极的比容量及其循环性能，因为纳米材料具有较小的体积效应和更好的机械强度。

除了上述薄膜硅负极研究取得一定进展外，改进

Ｌｉ７Ｓｉ３和Ｌｉ２２Ｓｉ５等【刚。纳米硅具有高理论比容量和一定的循环性能，是理想的锂离子电池负极材料。但是硅负极在锂脱嵌过程中较大的体积效应，严重降低了其循环性能。为了克服体积效应，改善其循环性能，研究者对薄膜形态的单质硅负极制备方法及其性能影响因素作了大量的研究。

Ｂｏｕｒｄｅｒａｕ等［７】采用低压化学气相沉积法（ＬＰＣＶＤ）以硅烷为前驱体在多孔镍箔表面制备１．２ｕｍ的硅薄膜作为阳极，其初始比容量达到１０００ｍＡｈ／ｇ，但是循环性能较差，１０次循环后，容量衰减为４００ｍＡｈ／ｇ。采用玻璃代替多孔镍箔为基体［８】＇材料比容量达到４０００

收到初稿日期：２００６．０７．２８；收到修改稿日期：２００６．ＩＯ一２８

作者简介：赵吉诗，男，１９７９年生，博士研究生，清华大学新能源研究所，北京１０００８４，电话：０１０一８９７９６０７３；通讯作者：何向明

副研究员，电话：０ｌＯ一８９７９６０７３；Ｅ．ｍａｉｌ：ｈｅｘｍ＠ｍａｉｌ．ｔｓｉｎ曲ｕａ．ｅ血．ｃｎ

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