SiO/C复合材料在锂离子电池中的应用

导  读：硅基负极材料因其较高的比容量而受到研究者广泛的关注。本文选取高比容量SiOx与NG复合材料作为锂离子电池负极材料，研究了不同SiO/C复合比例对全电池的能量密度和循环性能的影响。不同比例SiOx/C复合材料的首次容量和首次效率有明显差别。与石墨材料相比，SiOx/C复合材料的膨胀程度略有增加。随着SiOx比例的增加，全电池的能量密度先是上升然后下降，但其循环稳定性却有所降低。当SiOx比例在4%时，全电池能量密度提升4.2%，500周循环后容量保持率在80%以上，可以满足商业化锂离子电池的使用要求。

        引    言              商品化锂离子电池主要使用石墨作为负极材料，而石墨的理论容量只有372 mA·h/g，无法满足3C类消费品（如电动汽车，储能电池等）对高能量密度锂离子电池的要求。因此寻找替代的负极材料已经成为高能量密度锂离子电池快速发展的一个课题。在各种非碳类负极材料中，晶体硅是一个非常有发展前途的锂离子电池负极材料，它具有高的理论容量（4200 mA·h/g，9800 mA·h/mL），低的脱锂电压（0.37 V vs. Li/Li+）。但是，晶体硅在充放电过程中体积变化高达310%，如此大的膨胀收缩造成材料内部较大的应力存在，进而造成材料的粉化，活性物质与集流体脱离失去活性，容量快速衰减，因此如何解决硅基负极材料的膨胀和较差的循环性能是硅基负极材料的研究重点。1      针对硅基负极材料存在的问题，目前研究者通过如下方法进行改进：通过纳米硅降低硅的体积变化，减小电池内部应力；制备硅的氧化物，氧化物中随着氧含量的增加，材料的克容量降低，但电池的循环性能提高；制备硅的复合物Si-M体系，M为对锂惰性的金属，活性物质硅均匀分散在惰性M基体中，M基体抑制Si在充放电中的体积变化，同时提高Si的电导率。2      对于硅基负极材料，除了材料本身存在的问题，其配套应用体系也不完善，使用不同的黏结剂，硅基材料的容量发挥差异较大；而电解液的组成对硅基材料的循环性能影响较大，因此硅基材料作为负极材料单独使用离商业化还很远。石墨类材料现有一整套成熟完善的使用体系，少量的硅基材料添加不会对该体系造成较大的影响，本文在现有石墨使用体系中添加不同比例的硅基材料，研究不同比例对电池性能的影响，选出适合商业化的使用比例。3结      论     SiOx与NG按照不同比例复合可以制备不同容量的负极材料，但是，提高锂离子电池的性能需要综合考虑各种因素影响，不能简单的选择高容量的材料。本文综合分析了负极材料的容量、首次效率、膨胀等指标对电池体积能量密度、循环等性能的影响。在软包装电池体系下，通过电解液优化后，SiOx添加的比例在4%时，体积能量密度可以增加4.2%，500周循环容量保持率为84.1%，为SiOx/C商业化应用提供了依据。