锂离子电池硅基负极材料研究进展

硅基负极材料具有比容量大的优点,是高容量锂离子电池理想的负极材料。然而硅基材料在循环过程中容量衰减快,影响了其实用性。从硅复合物粉未和硅薄膜两个重要研究方面对硅基负极材料进行了综述,指出在Si基复合负极材料的研究中,单一途径改性提升循环性能的幅度有限,很难达到实用化阶段。硅的纳米化、无定形化、合金化及复合化等方法的综合运用成为硅基材料研究的主导方向。

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材料导报 A:综述篇

21 0 1年 9月( ) 2上第 5卷第 9期

锂离子电池硅基负极材料研究进展 杨绍斌，远鹏刘 (辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，阜新 13 0 ) 2 0 0 摘要硅基负极材料具有比容量大的优点，高容量锂离子电池理想的负极材料。然而硅基材料在循环过程是

中容量衰减快，影响了其实用性。从硅复合物粉未和硅薄膜两个重要研究方面对硅基负极材料进行了综述，出在指 s基复合负极材料的研究中， i单一途径改性提升循环性能的幅度有限，难达到实用化阶段。硅的纳米化、定形很无 化、合金化及复合化等方法的综合运用成为硅基材料研究的主导方向。 关键词锂离子电池硅负极材料

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开发高比容量的负极材料一直是锂离子电池研究的重

化程度。本文从硅复合物粉末和硅薄膜两个方面对硅基负 极材料的研究现状进行了综述。

要领域。目前，商业化应用的负极材料仍以石墨类碳素材料 为主，大理论比容量只有 32 Ahg很难满足移动通讯和最 7m/,移动电器功能的增多、电动汽车行驶里程的增加对锂离子电池容量提出的更高要求。因此高容量负极材料的研究是锂 离子电池研究的热点。 硅和锂可形成 I S I i、。和 L2S。相态的丘 i、 S。 I S i i i 2

1硅复合物粉末 1 1硅- .金属复合物 有些非插锂金属 ( C、 )与 S形成稳定的金属间如 u Ni能 i化合物 S,形成以 S为活性物质， i可 i以惰性金属 M为分

L-i i合金， S其理论容量高达 40 h g是碳素负极材料的 20 mA/ (近 1倍 )在目前已知元素中理论容量最高r。从化学性质 1, 1]来看，锂过程中不会引起溶剂分子随锂离子共同嵌入的问嵌题，因此 S是理想的负极材料。但是 I在嵌入过程中，引 i i会 起 S体积膨胀 1 3,生很大的内应力，材料内部结构 i~倍产使

散载体的复合粉体材料，而有些金属间化合物 M i S还同时 具有嵌锂性能。王璞等_利用分步高能球磨法制备了 S 3 i— C/ u C复合负极材料。3 0次循环后可逆容量为 5 1

3 mAh g/,循环效率为 9 .。生成的铜硅金属间化合物 ( i改善 83 CuS)

了电子导电性，冲了硅嵌锂时的体积膨胀，高了循环稳缓提定性。同时石墨具有良好的导电能力和循环稳定性，有一具

崩塌、电极材料剥落，从而使电极材料失去电接触，造成电极的循环性能急剧下降。 为解决这一问题，们利用纳米粉末 S作为负极材料，人 i

定的嵌锂容量，因此金属间化合物和石墨的有效复合使整体电极的稳定性提高 P r _利用电弧熔炼和分步高能球 ak等 _ 4 磨法制备了 S N/ i i— C复合负极材料。发现当 n S) n N ) (i: ( i一 6 1,:时循环性能最好， 14 m/以 50 Ahg的可逆容量稳定循环 2次。熔炼生成的 NS和 N S均匀散布在石墨表面，冲 8 ii ii。缓

但研究发现锂离子的反复嵌入和脱出会使纳米硅颗粒发生 团聚，致电池循环性能下降。同时这一过程还会破坏纳米导

硅的晶体结构，生成亚稳态的锂和硅的化合物，¨离子不使能脱出[。为了防止 S颗粒的团聚， s颗粒分散到金属 2] i将 i或非金属介质中，形成稳定均匀的两相或多相体系，利用介 质的塑性变形空间和良好的延展性来提高循环性能。目前， S基复合负极材料的研究取得了很大进展， i有些已接近实用 *高校博士点专项科研基金( O 9 1¨1 o 4 2O22 oO)

了充放电过程的体积变化。Z o g] h n等利用氢电弧等离子体法制备了 S Ni i复合负极材料，—首次可逆容量达 10mA/ 34 h g i与石墨球磨复合制备的 S N/。S Ni~ i i - C复合负极材料，首 次可逆容量达 63 A/,O次循环后容量为 58 Ahg 0m hg2 1m/。

杨绍斌： 1 6生，男，9 3年博士后，教授，主要研究方向为锂离子电池电极材料和新型炭材料

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