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鋰離子電池中的硅基負極材料是什么呢?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年08月18日  

硅材料在鋰離子電池中的應用,主要涉及兩方面,一是在負極材料中加入納米硅,形成硅碳負極,二是在電解液中加入有機硅化合物,改善電解液的性質。

(一)納米硅:鋰電負極材料的重要成員

納米硅,指的是直徑小于5納米的晶體硅顆粒,是一種重要的非金屬無定形材料。納米硅粉具有純度高、粒徑小、分布均勻、比表面積大、高表面活性、松裝密度低等特點,且無毒、無味。

納米硅的應用領域廣泛:

①與石墨材料組成硅碳復合材料,作為鋰離子電池的負極材料,大幅提高鋰離子電池的容量;

②用于制造耐高溫涂層和耐火材料;

③與金剛石高壓下混合形成碳化硅-金剛石復合材料,用做切削刀具;

④可與有機物反應,作為有機硅高分子材料的原料;

⑤金屬硅通過提純制取多晶硅;

⑥半導體微電子封裝材料;

⑦金屬表面處理。

有機硅:鋰電電解液的功能添加劑

有機硅,是一類人工合成的,結構上以硅原子和氧原子為主鏈的一種高分子聚合物。由于構成主鏈的硅-氧結構具有較強的化學鍵結,因此有機硅高聚物的分子比一般有機高聚物對熱、氧穩定得多。有機硅獨特的結構,使其兼備了無機材料與有機材料的性能,具有表面張力低、粘溫系數小、壓縮性高、氣體滲透性高等基本性質,并具有耐高低溫、電氣絕緣、耐氧化穩定性、耐候性、難燃、憎水、耐腐蝕、無毒無味以及生理惰性等優異特性,廣泛應用于特種航天、電子電氣、建筑、運輸、化工、紡織、食品、輕工、醫療等行業,其中有機硅主要應用于密封、粘合、潤滑、涂層、表面活性、脫模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。

盡管有機硅在室溫下的力學性能與其它材料差異不大,但其在高溫及低溫下的物理、力學性能表現卓越,溫度在-60到+250℃多次交變而其性能不受影響,故有機硅高聚物可在這個溫度區域內長期使用,有些有機硅高聚物甚至能在低至-100℃下正常使用。

硅負極材料的缺點:

硅負極材料的缺點也相當明顯,主要有兩大缺點:

①硅在鋰離子嵌入脫嵌過程中,會引起Si體積膨脹100%~300%,在材料內部產生較大的內應力,對材料結構造成破壞,電極材料在銅箔上脫落,同時硅表面的SEI膜不斷重復形成-破裂-形成,共同降低了電極的導電性和循環穩定性;

②硅為半導體,導電性比石墨差很多,導致鋰離子脫嵌過程中不可逆程度大,進一步降低了其首次庫倫效率。因而,必須解決硅在充放電過程中產生的體積膨脹和首次充放電效率低的問題。

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