納米硅粉在鋰電池中做負極材料的應用

作用原理 作為鋰離子電池負極材料，納米硅具有最高理論比容量（達4200mAh/g)，遠遠高于目前廣泛應用的碳材料，但是硅作為鋰離子電池負極的最大缺點就是在與鋰合金化的過程中，伴隨著很大的體積變化，在循環(huán)過程中會造成活性物質的脫落使容量很快衰減，循環(huán)性能很差。目前為了解決這個問題，有研究者把納米硅/納米氮化鈦/納米碳化鈦三種材料作為復合材料，實驗表明它們具有穩(wěn)定的循環(huán)性能，TiN,TiC 等相作為惰性組分起到了穩(wěn)定結構的作用，其作用主要表現(xiàn)在：在放電過程中，對于LiSi形成過程中的體積膨脹起到緩沖作用，抑制由于合金粉化，從電極上剝落而引起的容量衰減，在充電過程中，又起到阻止Si微粒團聚的作用。另外，TiN,TiC 等相的導電性都較好，有增強電極導電性的作用。由于納米硅對與鋰電池的高吸收率，將納米硅用于鋰電池可以大幅度提高鋰電池的容量（理論可以達到4000mA/h)。
以納米硅粉和石墨為原料,替代納米碳粉，作為鋰電池負極材料，利用機械球磨的方法制備了硅/石墨復合物, 采用XRD、SEM以及電化學測試等手段對材料進行了結構表征和性能測試.通過球磨不同質量比的硅和石墨, 并對相應的復合物進行充放電測試, 尋找到了硅和石墨的最佳比例, 其值為1∶9。組成Si-C復合材料，可以有效的降低由于硅吸收鋰離子時的膨脹，同時可以加大與電解液的親和力，易與分散，提高循環(huán)性能。用納米硅粉做成納米硅線用在充電鋰電池負極材料里，或者在納米硅粉表面包覆石墨用做充電鋰電池負極材料，可以提高了充電鋰電池3倍以上的電容量和充放電循環(huán)次數(shù)。
實驗結果表明, 所得材料既具備高于純納米硅的循環(huán)性能, 又具有比石墨高的可逆容量，同時大幅度提高鋰電池容量。當硅與石墨的質量比為4:6時，容量衰減較快,25次循環(huán)后容量為200mA.h/g,故復合物中硅的含量不能太大.如果硅的含量較大，導致石墨不能很好地將硅分散開，納米硅之間接觸的機會增多，發(fā)生團聚，庫侖效率和循環(huán)性能就會隨之下降.硅和石墨質量比為3:7時，復合物25次循環(huán)后的可逆容量雖然大于硅與石墨質量比為4:6（約240mA.h/g）時的可逆容量，但從曲線上看出，衰減還是很快.可見硅與石墨質量比為1:9和2:8時，循環(huán)性能較好，而1:9時為最好.由于納米硅的價格又遠高于石墨，故如應用于生產(chǎn)實踐，硅和石墨比為1:9更為經(jīng)濟.與純石墨比較，質量比1:9的復合物首次可逆容量大大提高，是石墨的兩倍多.循環(huán)性能也較好,30次循環(huán)后達到310mA.h/g.硅及含硅材料作為鋰離子電池負極材料具有很高的比容量，硅的理論容量為4200mA.h/g，機械球磨法制備的石墨/納米硅復合物被用作鋰離子電池負極材料.該復合材料體現(xiàn)了硅儲鋰量高及石墨循環(huán)性能良好、體積效應小的特點.實驗結果得出最佳的硅/石墨質量比為1:9 .電化學性能測試表明復合材料循環(huán)性能相對純硅電極有很大改善且具有高于石墨的可逆容量，有望代替石墨成為新一代鋰離子電池負極材料。
主要用途：
　　1、用納米硅粉做成納米硅線用在充電鋰電池負極材料里，或者在納米硅粉表面包覆石墨用做充電鋰電池負極材料，提高了充電鋰電池3倍以上的電容量和充放電循環(huán)次數(shù)
　　2、納米硅粉用在耐高溫涂層和耐火材料里
　　3、納米硅粉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
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