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合金材料在锂金属负极中的应用研究进展

材料工程 2023年第7期51卷 78-88页

作者：南文争李昕昊许俊兴燕绍九戴圣龙中国航发北京航空材料研究院北京100095 中国地质大学(武汉)材料与化学学院地质探测与评估教育部重点实验室武汉430074

金属锂具有极低的电极电势及超高的比容量,是高比能锂二次电池的理想负极材料。然而,锂枝晶生长、体积膨胀效应及界面不稳定等问题限制了其商业化应用。通过合金负极、界面保护、负极结构设计及固态电解质等策略,可显著改善上述问题。... 详细信息

金属锂具有极低的电极电势及超高的比容量,是高比能锂二次电池的理想负极材料。然而,锂枝晶生长、体积膨胀效应及界面不稳定等问题限制了其商业化应用。通过合金负极、界面保护、负极结构设计及固态电解质等策略,可显著改善上述问题。锂合金材料具有高比容量、高离子电导率及良好亲锂性等特点,在上述策略中均扮演着重要角色。本文介绍合金材料的电化学性质,综述近年来合金材料在锂金属负极中的应用研究进展;最后梳理合金材料在锂金属负极中应用所面临的问题,并提出加强基础理论研究等建议。

关键词：合金负极界面保护负极结构设计固态电解质锂金属负极

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Na-M合金负极在钠金属电池中的性能研究

Na-M合金负极在钠金属电池中的性能研究

作者：韩佳桐天津理工大学

学位级别：硕士

在过去的十几年中锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长等优势占据了便携储能市场的主导地位,然而锂资源稀缺供应受限等问题随着大规模储能系统的发展逐渐暴露出来,这时与锂物理化学性质相似的钠进入了人们的视野,钠资源丰富易获取,金... 详细信息

在过去的十几年中锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长等优势占据了便携储能市场的主导地位,然而锂资源稀缺供应受限等问题随着大规模储能系统的发展逐渐暴露出来,这时与锂物理化学性质相似的钠进入了人们的视野,钠资源丰富易获取,金属钠因其较高的理论容量和较低的氧化还原电位被认为是钠基电池中比较有前景的负极材料,然而钠金属负极不稳定这一缺陷严重影响了其实际应用,比如在循环过程中,钠金属作为负极,涉及到枝晶生长和电极/电解质界面不稳定等问题,目前已有研究者采用构建人工SEI膜、电解液改性、合金化负极等方法解决上述问题。本论文主要研究钠金属负极,对于针对钠负极枝晶生长带来的循环稳定性问题,本文选用Na-M(M=Au,Sn和In)合金作为负极材料,与金属钠箔相比,合金箔具有更好的电解液/电极界面,为高效的沉积剥离循环提供了丰富的亲钠位点,而自演化形成的多孔Na-M结构能够缓解循环过程中的体积变化。主要研究内容如下:(1)本文采用Na-M(M=Au,Sn和In)合金替代钠金属作为新型的负极材料,只需将两种金属在特定温度下加热至熔融状态并混合均匀,待冷却后辊压制成箔,发现每种合金的掺杂阈值不同,经过接触角测试以及抗拉强度测试表明Na-Au合金抗拉效果最好且电解液润湿性能最佳,测试了在电流密度为0.5 m A cm条件下三种不同掺杂元素含量的合金的循环稳定性,结果发现在掺杂阈值内含量越多电池寿命越长。此外,三种合金电极的稳定性均优于纯金属钠电极。通过光学显微镜原位观察了金属钠与Na-Au电极的枝晶生长情况,发现Au的引入能在一定程度上抑制钠枝晶的生长,与普鲁士蓝匹配组装的全电池容量保持率和初始容量也优于纯钠电极。(2)基于上一章的结论,为了实现金属钠负极的实际应用,避免金属钠过量造成的安全隐患,本章研究有限容量下的超薄、高效率的Na-Au合金负极,通过理论计算不同容量下电极的厚度,和光学显微镜下测量的电极厚度大致相同,通过电解液优化,在0.5 m A cm下5 m Ah cm的超低容量Na-Au电极可稳定循环350小时,通过SEM发现在不同程度的剥离条件下,电极呈自演化的多孔形貌,且电极并没有由于体积膨胀导致坍塌,形成的多孔合金骨架为钠离子提供了亲钠的活性位点,使其均匀沉积,在循环过程中保持结构稳定性,最终改善电池性能和安全性。

关键词：钠金属负极合金负极钠枝晶有限容量

SnSb-Li4Ti5O12复合负极材料低温高倍率储锂特性研究

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储能科学与技术 2024年第7期 2107-2115页

作者：马国政陈金伟熊兴宇杨振忠周钢胡仁宗广东省先进储能材料重点实验室华南理工大学材料科学与工程学院东莞理工学院生态环境与建筑工程学院

低温环境下，锂离子电池的性能明显下降，严重限制了其在寒冷地区的应用推广。尤其是，商业化的石墨负极材料锂离子扩散较慢且嵌锂电位低，易出现析锂风险而使锂离子电池的低温充电能力差。相比之下，Sn基负极材料具有较高的储锂容量和... 详细信息

低温环境下，锂离子电池的性能明显下降，严重限制了其在寒冷地区的应用推广。尤其是，商业化的石墨负极材料锂离子扩散较慢且嵌锂电位低，易出现析锂风险而使锂离子电池的低温充电能力差。相比之下，Sn基负极材料具有较高的储锂容量和适中的嵌锂电位，具有良好的低温应用前景。本文通过球磨方法，将Sn Sb与Li4Ti5O12（LTO）进行复合，制备出了系列Sn Sb-Li4Ti5O12复合负极材料。实验结果表明，当LTO含量为30%时，复合负极材料能兼顾高容量，同时具备良好的常、低温循环稳定性和高倍率储锂能力。在30℃下，以0.2 A/g循环300次后比容量为536 m Ah/g，容量保持率接近90%；即使在20 A/g （34C）的高倍率下比容量仍有280 m Ah/g。并且在-30℃下，以0.2 A/g循环100次后稳定容量为413 m Ah/g,1.0 A/g倍率下能保持适中嵌锂电位，嵌锂容量也可达其常温容量的61%。研究结果表明，LTO复合后Sn Sb的物相结构能够在循环过程中保持完整，保证了其低温条件下高倍率脱锂过程的循环稳定性。这项工作展现了Sn Sb-Li4Ti5O12复合负极材料的低温应用潜力，为构建具有低温快速充电能力的锂离子电池提供材料基础。

关键词：锂离子电池低温充电合金负极倍率性能

SnSb-LiTiO复合负极材料低温高倍率储锂特性研究

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储能科学与技术 2024年

作者：马国政陈金伟熊兴宇杨振忠周钢胡仁宗 1.广东省先进储能材料重点实验室华南理工大学材料科学与工程学院 2.东莞理工学院生态环境与建筑工程学院广东省先进储能材料重点实验室华南理工大学材料科学与工程学院东莞理工学院生态环境与建筑工程学院

低温环境下，锂离子电池的性能明显下降，严重限制了其在寒冷地区的应用推广。尤其是，商业化的石墨负极材料锂离子扩散较慢且嵌锂电位低，易出现析锂风险而使锂离子电池的低温充电能力差。相比之下，Sn基负极材料具有较高的储锂容量和适中的嵌锂电位，具有良好的低温应用前景。本文通过球磨方法，将SnSb与Li4Ti5O12（LTO）进行复合，制备出了系列SnSb-Li4Ti5O12复合负极材料。实验结果表明，当LTO含量为30wt%时，复合负极材料能兼顾高容量，同时具备良好的常、低温循环稳定性和高倍率储锂能力。在30 ℃下，以0.2 A g-1循环300次后比容量为536 mAh g-1，容量保持率接近90%；即使在20 A g-1（34 C）的高倍率下比容量仍有280 mAh g-1。并且在-30 ℃下，以0.2 A g-1循环100次后稳定容量为413 mAh g-1，1.0 A g-1倍率下能保持适中嵌锂电位，嵌锂容量也可达其常温容量的61%。研究结果表明，LTO复合后SnSb的物相结构能够在循环过程中保持完整，保证了其低温条件下高倍率脱锂过程的循环稳定性。这项工作展现了SnSb-Li4Ti5O12复合负极材料的低温应用潜力，为构建具有低温快速充电能力的锂离子电池提供材料基础。

关键词：锂离子电池低温合金负极倍率性能

锂离子电池Sn_(30)Co_(30)C_(40)三元合金负极材料的制备与性能研究

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化学学报 2013年第7期71卷 1011-1016页

作者：刘欣解晶莹赵海雷王可汤卫平潘延林丰震河吕鹏鹏北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 上海空间电源研究所上海200245 新能源材料与技术北京市重点实验室北京100083

随着人们对高比能量锂离子电池需求的逐步增加,Sn基合金成为目前高比容量负极材料的研究热点.以低成本的金属氧化物、活性炭为原料经碳热还原法首先合成出中间产物CoSn2,再将Co、石墨引入,经高能球磨制备了Sn30Co30C40三元合金负极材料... 详细信息

随着人们对高比能量锂离子电池需求的逐步增加,Sn基合金成为目前高比容量负极材料的研究热点.以低成本的金属氧化物、活性炭为原料经碳热还原法首先合成出中间产物CoSn2,再将Co、石墨引入,经高能球磨制备了Sn30Co30C40三元合金负极材料.材料呈现微米级颗粒形貌,其内部是由均匀分散于无定形碳中10 nm左右CoSn晶粒所组成.材料的比容量为550 mAh/g左右,首次效率为80%左右,循环稳定性好、倍率性能优越,是一种非常有发展前景的高比容量锂离子电池负极材料.

关键词： Sn30Co30C40 碳热还原-高能球磨电化学性能合金负极锂离子电池

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锂离子电池合金负极材料研究进展

太原理工大学学报 2021年第1期52卷 1-12页

作者：彪捷马家宾陈立坤贺艳兵清华大学深圳国际研究生院广东深圳518055 清华大学材料学院北京100084

合金类材料具有高比容量和高安全性等优势,是极具潜力的锂离子电池负极材料。合金负极不同的脱嵌锂机制显著影响着锂枝晶生长、锂离子输运及体积膨胀等行为。介绍了不同合金负极的脱嵌锂机制,并从热力学、动力学角度分析了锂沉积形核过... 详细信息

合金类材料具有高比容量和高安全性等优势,是极具潜力的锂离子电池负极材料。合金负极不同的脱嵌锂机制显著影响着锂枝晶生长、锂离子输运及体积膨胀等行为。介绍了不同合金负极的脱嵌锂机制,并从热力学、动力学角度分析了锂沉积形核过程及锂在电极内部输运过程的影响因素,总结了合金负极控制锂沉积行为及体积膨胀的研究进展和未来发展方向。

关键词：锂离子电池合金负极脱嵌锂机制体积膨胀

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锂离子电池用锡铜合金负极的研究

电池 2006年第1期36卷 10-12页

作者：蒲薇华任建国何向明万春荣姜长印清华大学核能与新能源技术研究院北京100084

采用电沉积、表面修饰及热处理合金化的方法制备了锡铜合金负极,并组成Li|1 mol/L LiPF6/EC+DEC+DMC(体积比1∶1∶1)|SnCu扣式电池,测试了电极的电化学循环稳定性。负极表面修饰后,虽然首次放电比容量由415 mAh/g下降为316 mAh/g,但50... 详细信息

采用电沉积、表面修饰及热处理合金化的方法制备了锡铜合金负极,并组成Li|1 mol/L LiPF6/EC+DEC+DMC(体积比1∶1∶1)|SnCu扣式电池,测试了电极的电化学循环稳定性。负极表面修饰后,虽然首次放电比容量由415 mAh/g下降为316 mAh/g,但50次循环后的容量保持率由41%提高到70%,电极的循环性能得到改善。

关键词：锂离子电池合金负极表面修饰循环性能

分步电沉积法制备Cu-Sn-Sb合金负极材料

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电源技术 2015年第11期39卷 2351-2354页

作者：周稳潘勇雷维新马增胜成娟娟湘潭大学材料科学与工程学院湖南湘潭411105 湘潭大学低维材料及其应用技术教育部重点实验室湖南湘潭411105

为了提高锂离子电池用Cu-Sn-Sb合金负极材料的循环稳定性,采用分步电沉积的方式通过控制镀锑时间在铜集流体上制备了四种不同锡锑原子比的叠层Cu-Sn-Sb合金负极材料,采用X射线衍射光谱法(XRD)、扫描电子显微镜法(SEM)、能量散射光谱(EDS... 详细信息

为了提高锂离子电池用Cu-Sn-Sb合金负极材料的循环稳定性,采用分步电沉积的方式通过控制镀锑时间在铜集流体上制备了四种不同锡锑原子比的叠层Cu-Sn-Sb合金负极材料,采用X射线衍射光谱法(XRD)、扫描电子显微镜法(SEM)、能量散射光谱(EDS)以及充放电测试等手段对其结构、形貌和性能进行表征。结果表明:采用不同镀锑时间制备的电极材料形貌有明显差别;Sn/Sb原子比为1∶1的电极材料电化学性能较好。经200℃、12 h的热处理后,电极材料的循环稳定性得到改善,经40次循环后,放电比容量保持为330.9 m Ah/g,其电化学性能明显增强。

关键词：锂离子电池电沉积 Cu-Sn-Sb 合金负极

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锂离子二次电池合金负极材料的研究进展

化学世界 2007年第11期48卷 689-693页

作者：关云山张爱华李晓昆青海大学化工学院青海西宁810016

论述了近年来合金类负极材料的研究进展,尤其对Sn基、Si基、Sb基等二元合金及金属间化合物、纳米合金、活性/非活性合金以及多相复合物电极材料的研究现状作了介绍;指出了合金电极材料存在的问题和解决方法,并对合金类负极材料的研究发... 详细信息

论述了近年来合金类负极材料的研究进展,尤其对Sn基、Si基、Sb基等二元合金及金属间化合物、纳米合金、活性/非活性合金以及多相复合物电极材料的研究现状作了介绍;指出了合金电极材料存在的问题和解决方法,并对合金类负极材料的研究发展趋势作了展望。

关键词：锂离子电池负极材料合金负极