高稳定硅碳负极材料工业制备方法
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童忆的店铺
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缓冲骨架:理论上,只要两种材料的电极电位不完全相同,电化学活性相就能嵌到非电化学活性的骨架中,非活性材料起到分散和缓冲的作用。利用复合材料各组分的协同效应,可达到优势互补的目的,此方法广泛应用于锂离子电池负极材料的改性研究中。 硅碳负极 硅碳负极:利用不同形态的碳材料来复合硅进行改性处理,使其构成均匀地导电网络,形成导电性好,附着性好化学稳定性高的负极材料体系。 硅碳负极的分类:硅碳负极体系一般可分为硅/无定形碳复合材料体系,硅/石墨烯复合材料体系,硅/碳纤维或者碳纳米管复合体系.(一)硅碳二元复合 硅-传统的碳材料 1.硅-石墨 2.硅-热解无定形碳 3.硅-中间相碳微球(MCMB) 硅-纳米碳材料 1.硅-碳纳米线 2.硅-碳纳米管 3.硅-碳凝胶 (二)硅碳多元复合 硅-无定形碳-石墨(Si-C-G)硅-碳材料-其他添加物 硅碳材料的特性 Si/C复合体系中硅颗粒作为活性物质,提供储锂容量;碳既能缓冲充放电过程中硅体积的变化,又能改善硅的质材料的导电性,还能避免硅材料在充放电过程中的团聚。因此,硅碳复合材料结合了二者的优点,表现出高比容量和长循环寿命,有望成为新一代锂离子电池负极材料。 Si/C复合体系结构设计:包覆结构、嵌入结构。 包覆结构:包覆结构是在活性物质硅表面包覆碳层,缓解硅体积膨胀,增加导电性。根据包覆结构和颗粒形貌,包覆结构可分为核壳结构、蛋黄-壳结构以及多孔结构。嵌入结构:嵌入型结构是指利用物理或者化学的方法将硅材料嵌入到碳载体中。硅材料和碳基质紧密结合形成均匀的两相或者多相体系,利用碳载体为离子和电子提供传输通道和支撑骨架,提高材料的稳定性。 我们的工作基础和条件: 技术开发进度快、产品性能优异:基于团队多年在热等离子体功能粉体制备方面的技术积累,我们成功开发出纳米硅基复合结构粉体的制备,可应用到高性能锂离子电池负极材料领域。 技术积累充分,规模化生产经验足: “等离子体制备3000吨/年TiO2”获得国家科技进步3等奖,“等离子体制备500吨/年ZnO”获得中国科学院科技进步3等奖。2010年高频常压热等离子体制备纳微结构材料技术获得北京市科学技术贰等奖。 团队长期合作,配合默契:绍兴文理学院团队和中科院过程工程所、北京交通大学新能源材料团队长期合作,在锂离子电池负极材料领域发表了一系列高水品研究成果。 喷雾干燥  高温气流喷雾快速干燥 (易于形成分散多孔结构)  活性硅包裹在内部 三维导电网络 (包裹型粘结牢固结合强度高) 纳米硅球 在溶液中高x电位 易于形成均相稳定溶液 → 骨架颗粒均匀分 布的三维结构粒径分布:2-5 μm 三维多孔球形颗粒 纳米硅球高度均匀分布构成骨架 裂解碳粘结纳米硅之间增加机械强度 裂解碳与硅构成三维立体导电网络D带:1350 cm-1无定型碳 G带:1580 cm-1结晶碳 ID/IG=0.797 石墨化程度高 导电性好 利于Li+和电子快速传导比表面积: 74.35 m2g-1 孔的体积:116.7 mm3 /g 孔径分布:2 nm左右 丰富的孔隙结构 吸收体积膨胀结构稳定性→ “电化学烧结” 成为惰性体 → 无破裂团聚 ,体积膨胀68%,电流通路 ,稳定SEI膜 150次后整体颗粒无破裂表面形成稳定SEI膜 整体颗粒的体积几乎没有变化! 丰富的孔隙结构容纳体积膨胀裂解碳增加机械强度能量密度 首次比容量:2059 mA h g-1高体积容量:1244 mA h cm-3库伦效率 首次库伦效率88% (体硅40%, 纳米硅71%)  第二次库伦效率超过95% 循环性能 Cycle50次—1000 mA h cm-3 容量保持率在80%以上 大倍率承受能力 大倍率充放电稳定 迅速回升 Si锂电负极项目主要研究开发内容 :1.Si@C结构纳米复合材料的工艺参数优化及规模化制备 2.研制大规模生产纳米硅基负极材料的热等离子设备 我们目前为止已经能够生产多种不同尺寸的硅基复合结构材料。产物基本为完整的光滑致密球体,球体的直径在100纳米左右,而选区电子衍射图显示Fe分散在球体内部形成导电网络促进电子的收集速度以提高电池倍率性能,同时Fe惰性金属和Si形成合金缓冲硅球在充放电过程中的体积变化。电化学性能测试显示首次比容量在2500 mA h/g,循环950次后容量仍在1000 mA h/g以上。
高稳定硅碳负极材料工业制备方法
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专利号201711094346.2成果权属独占知识产权状况专利
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