锂离子电池锡基负极材料改性研究进展


来源:中国粉体网   青黎

[导读]  锡基材料理论比容量可达993mAh·g-1,约为石墨负极容量的3倍。而且,锡的嵌/脱锂电位远高于Li的析出电位,不必担心在充放电过程中因锂枝晶的生成而导致短路的问题,表现出更高的安全性能。因此,锡基负极作为合金反应负极的重要成员具有高比容量、适中的电化学平台、高电导率等优势而受到广泛关注。

中国粉体网讯  锂离子电池作为化学能和电能之间的有效转换装置,相比于传统电池,具有比容量高、单体电压高、自放电小、使用寿命长,绿色环保等优点,在人类的生产生活中起到了至关重要的作用。负极材料是锂离子电池的重要组成部分之一,商业化的锂离子电池负极材料大多以石墨为主。但由于其理论比容量较低(372mAh·g-1)远不能满足高能耗电子设备越来越高的要求。因此,开发高能量密度、长循环寿命的负极材料是提高电池整体性能的关键,更是成为研究者们争相研究的重点。


锡基材料理论比容量可达993mAh·g-1,约为石墨负极容量的3倍。而且,锡的嵌/脱锂电位远高于Li的析出电位,不必担心在充放电过程中因锂枝晶的生成而导致短路的问题,表现出更高的安全性能。因此,锡基负极作为合金反应负极的重要成员具有高比容量、适中的电化学平台、高电导率等优势而受到广泛关注。


然而,其实际应用却受到很大限制,充放电过程中巨大的体积变化及表界面不稳定性导致了材料的结构破坏及可逆性衰退等问题,严重阻碍了锡基负极大规模应用。因此,为了解决锡基负极材料所面临的问题,研究人员开始研究一系列方法对其进行改性。目前,对锡基材料进行改性的方法主要有减小锡基材料粒径、与其它材料进行复合以及进行特殊的结构设计等方法。


(1)材料细化改性

应对锡基材料锂化过程中产生的体积膨胀效应最常用的方法就是将材料的粒径细化,使材料具备更小的体积从而抑制锡粒子的粉碎。纳米尺寸的材料在充放电过程中的体积与应力的变化率较小,能够有效降低锡基材料的体积膨胀效应,而且纳米粒子极小的粒径减小了锂离子的传输距离,能够极大地改善锂离子电池的循环寿命。


(2)碳复合化改性

由于碳材料在脱锂和嵌锂过程中体积变化小、循环稳定、导电性好,价格低廉并且形态多样化等特点,研究者们将其与锡基材料复合并对其进行了研究。有研究者采用化学气相沉积法原位制备了包覆在非晶态碳纳米管中的锡纳米线的核壳结构作为锂离子电池阳极材料(Sn@CNTs)。Sn@CNTs在充放电过程中表现出优异的容量保持性,并且通过研究发现Sn@CNTs材料中外层碳纳米管壳可以帮助保持结构和缓冲体积膨胀,加上合理的控制碳纳米管壳的厚度使得该复合材料具有良好的电化学性能。


(3)合金化改性

近年来研究者们发现在将锡基材料与金属材料复合,即锡基合金材料,该种材料不仅能增加锂离子利用率,还有助于提高材料的导电性与结构稳定性。在各种锡的合金材料中,锡镍合金因其优异的理化性能、匹配性能和缓冲效果而日益受到重视。


(4)结构设计改性

近年来,中空纳米材料因其独特的结构特征而被广泛关注与研究,由于中空结构能够缓解体积变化对电极结构的破坏,从而能够极大地改善电极的循环寿命和循环稳定性。而锡和碳壳之间的中空空间可以适应重复充放电过程中的体积变化。合理的结构设计能够引入空隙空间为锡的体积膨胀提供缓冲空间。因此,材料结构设计是一种常用的锡基负极材料的改性策略。


研究锡基负极的电化学反应机理及容量衰减机制,以及开展有针对性的改性研究对其实现商业化并广泛应用具有重要意义。基于此,中国粉体网旗下粉体公开课平台将于2021年9月4日上午11:00举办网络直播会,届时来自浙江大学的应杭君特聘副研究员将作《锂离子电池锡基负极材料改性研究》报告,汇报人结合团队研究成果及行业内经典的研究案例,概述几种主流锡基负极各自的特点、问题及改性策略,以期促进行业内交流、推动相关研究方向的发展。


报告人介绍


应杭君,工学博士,浙江大学特聘副研究员,本科毕业于南开大学,2018年博士毕业于中国科学院宁波材料技术与工程研究所。2018年9月加入浙江大学材料科学与工程学院开展博士后研究工作,并于2020年9月出站后留校工作,任职材料学院特聘副研究员,兼任研究生德育导师、本科生班主任。一直以来从事电化学储能材料的研究工作,已发表相关学术论文20余篇,申请专利3项。目前在研科研项目3项。


资料来源:

闫晴,刘旭东等. 锂离子电池锡基负极材料的改性及研究进展


(中国粉体网编辑整理/青黎)


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