锂离子电池用高容量合金类硅基负极材料研究进展.pdfVIP

第 29 卷 第 3 期 上海第二工业大学学报 Vol.29 No.3 2012 年 9 月 JOURNAL OF SHANGHAI SECOND POLYTECHNIC UNIVERSITY Sept. 2012 文章编号 1001-4543(2012)03-0191-07 锂离子电池用高容量合金类硅基负极材料锂离子电池用高容量合金类硅基负极材料研究进研究进展展 锂离子电池用高容量合金类硅基负极材料锂离子电池用高容量合金类硅基负极材料研究进研究进展展 沈 龙，董爱想 ，乔永民，吴敏昌 （上海杉杉科技有限公司研发部，上海 201209 ） 摘 要：锡、硅负极材料由于具有高的比容量等优 ，成为提高锂离子电池能量密度的首选负极材料。首先介绍了 目前产业界开发锡、硅负极材料的进展，并从商业化的角度比较了这两类材料在开发工艺及实际使用电性能方面的 区别。进一步从基础研发角度重点阐述了不同结构的硅基材料 （单质硅、硅氧化物、硅碳复合物及硅合金）的电性 能改性研究进展，指出了具有工业化前景的工艺方法。 关键词：硅负极；锂离子电池；商业化 中图分类号：TM912.9 文献标志码：A 0 引言 20 世纪 90 年代初，日本索尼公司率先开发出了碳负极材料，显著提高了锂离子电池的安全性和充放电 循环寿命 ，由此，拉开了锂电池实用性研究的大门 。与传统化学电源铅酸、镍镉及镍氢电池相比，锂离子 电池具有较高的能量密度、电压高、循环寿命长、自放电低、无记忆效应、对环境友好等亮点[1] 。 经过 20 多年的发展，锂离子电池能量密度已无法满足现今各种消费类电子设备，尤其是储能设备及电 动车对能量密度的需求。原因之一在于锂离子电池负极材料以石墨为主，其比容量已接近理论值 372 mAh/g 的理论容量，对电池能量密度的提高有限。单质锡具有 994 mAh/g 的理论容量，单质硅具有 4 200 mAh/g 的 理论容量 （表1）。在理论上，这两类材料都可以较大幅度地提高电池的能量密度，因此成为开发下一代负 极材料的热门材料[2-3] 。 1 锡、硅负极材料产业化应用开发进展 1.1 锡基负极材料的产业化应用开发进展 锡基负极材料的研究首先起源于日本精工电子工业公司 ，随后三洋电机、松下电器、富士胶卷等公司 相继进行了研究[4] 。 + 在锡基负极材料中 ，单质锡作为锂离子电池负极材料时，Li 嵌入和脱出过程中其体积变化率高达 100 % ~ 300 %，电极易发生破裂与粉碎，因此单质锡不宜直接用作锂离子电池负极材料。目前对锡基材料 的研究主要集中在锡基氧化物、锡基合金及锡基复合物这几个方面 。 表 1 各种负极材料理化指标比较 Tab. 1 Overview of different anode materials Materials Li C Li Ti O Si Sn Sb Al Mg Bi 4 5 12 Density/(g.cm-3) 0.53