锂离子电池用高容量合金类硅基负极材料研究进展

锡、硅负极材料由于具有高的比容量等优点,成为提高锂离子电池能量密度的首选负极材料。首先介绍了目前产业界开发锡、硅负极材料的进展,并从商业化的角度比较了这两类材料在开发工艺及实际使用电性能方面的区别。进一步从基础研发角度重点阐述了不同结构的硅基材料(单质硅、硅氧化物、硅碳复合物及硅合金)的电性能改性研究进展,指出了具有工业化前景的工艺方法。

第2卷第3 9期

上海第￣ 3业大学学报 - 2 J oUR NAL HANGHAIS C0ND OL ECHNI OF S E P YT C UNI VERS T I Y

Vb1 O. . N 3 29

21 0 2年 9月

Se t 201 p. 2

文章编号：0 1 5 32 1 )30 9—7 10— 4 (0 20 .1 10 4

锂离子电池用高容量合金类硅基负极材料研究进展 沈龙，董爱想，乔永民，吴敏昌 (海杉杉科技有限公司研发部，上海 2 10 上 02 9) 摘要：锡、硅负极材料由于具有高的比容量等优点，成为提高锂离子电池能量密度的首选负极材料。首先介绍了目前产业界开发锡、硅负极材料的进展，并从商业化的角度比较了这两类材料在开发工艺及实际使用电性能方面的区别。进一步从基础研发角度重点阐述了不同结构的硅基材料 (单质硅、硅氧化物、硅碳复合物及硅合金 )的电性能改性研究进展，指出了具有工业化前景的工艺方法。 关键词：硅负极；锂离子电池：商业化

中图分类号：T 1 . M9 29

文献标志码：A

O引言 2世纪 9 0 0年代初，日本索尼公司率先开发出了碳负极材料，显著提高了锂离子电池的安全性和充放电循环寿命，由此，拉开了锂电池实用性研究的大门。与传统化学电源铅酸、镍镉及镍氢电池相比，锂离子电池具有较高的能量密度、电压高、循环寿命长、自放电低、无记忆效应、对环境友好等亮点【。 J J经过 2 0多年的发展，锂离子电池能量密度已无法满足现今各种消费类电子设备，尤其是储能设备及电

动车对能量密度的需求。原因之一在于锂离子电池负极材料以石墨为主，其比容量已接近理论值 32mA/ 7 hg 的理论容量，对电池能量密度的提高有限。单质锡具有 9 4mAhg的理论容量，单质硅具有 4 0 mA/ 9/ 2 0 hg的理论容量 ( 1。在理论上，这两类材料都可以较大幅度地提高电池的能量密度，因此成为开发下一代负表 ) 极材料的热门材料【 J 2。。

1锡、硅负极材料产业化应用开发进展 11锡基负极材料的产业化应用开发进展 .

锡基负极材料的研究首先起源于日本精工电子工业公司，随后三洋电机、松下电器、富士胶卷等公司

相继进行了研究。 J 在锡基负极材料中，单质锡作为锂离子电池负极材料时，L入和脱出过程中其体积变化率高达 i嵌 1 0%~3 0%,电极易发生破裂与粉碎，因此单质锡不宜直接用作锂离子电池负极材料。目前对锡基材料 0 0的研究主要集中在锡基氧化物、锡基合金及锡基复合物这几个方面。 表 1各种负极材料理化指标比较 1 1 h Ove viw i e e ta dem ae i l r e ofd f r n no tras

M ae a s t r l i

Li

C

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S n

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Bi 9. 78

De s y ( . ni/ c 1 t g m‘ Li it d p a e t ae h s h

05 22 35 .3 .5 . Li

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3 b Li L 7 iO1 L 4 S L 4 S LiS C6 iT 5 2 i4 i i4 n

Li 1 LiM g A s Li Bi

T ert a seic aa i/ hg 1 3 6 3 2 h oe clp c p cy( i i f c t mA . 8 2 0 7 V lme h n e( ou ag/ c%1 P tnil S L/ V 0e t . i~ 1 aV (

15 7 1

4 0 20

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35 30 10 0 01 .

38 5 37 65 21 5 0. 8

T e rt a cag e sy( h oe cl hredni/ i t mAhc 2 4 8 7 6 3 . ) m。 0 7 3 1 10 0 0

9 8 76 30 2 04 .

7 4 26 20 6 06 .

42 42 20 0 0 . 9

2 8 4 5 6 35

1 2

00 1 .5 . 6

收稿日期：2 1.62;回日期：0 20—8 0 20 .5修 2 1—90 作者简介：沈龙 ( 9 8 ) 17 -,男，安徽人，高级工程师，博士，主要研究方向为锂离子电池负极材料，

电子邮箱ln se0@g icm。 o gh n 8 mal o .基金项目：2 1年度上海市博士后科研资助计划重点项目 ( 01 B类 )( . 1 2 4 0 0 ) No 1R 12 6 0

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