多孔硅基负极材料因其在硅脱嵌锂过程中能缓解体积膨胀的优势，在电池技术中展现出巨大的应用潜力。但在长期循环使用时，电极在脱嵌锂过程中不可避免的出现容量下降和结构被破坏等问题。随着研究的深入和技术的进步，保证多孔型电极在循环过程不发生开裂，并具有更高的比容量和倍率性能，成为了多孔型硅基负极材料的新突破口。本实验分别以葡萄糖和蔗糖为碳的前驱体进行分阶段碳化，使用预氧化的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为骨架，运用微电子打印技术构建了新型Si@PVP/葡萄糖和Si@PVP/蔗糖多孔碳骨架结构的Si@C复合电极。分析结果表明：Si@PVP/葡萄糖结构电极循环后电极表面开裂明显更小。以0.1 A·g–1的电流密度放电，Si@PVP/葡萄糖结构电极首圈比容量为1655 mA·h·g–1，100圈后比容量为 1095 mA·h·g–1，可逆容量保持为97.4%；Si@PVP/蔗糖结构电极首圈比容量为1455 mA·h·g–1，100圈后比容量为970 mA·h·g–1，可逆容量保持为91%。
锂离子电池 硅基负极 多孔材料 静电纺丝 lithium-ion battery silicon-based anodes porous materials electrospinning
1 天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室，天津 300072
2 天津大学国家市场监督管理总局重点实验室（光纤传感计量测试技术），天津 300072
3 应急管理部天津消防研究所，天津 300381
4 天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
锂离子电池（LIBs）具有功率密度高、能量密度高、循环寿命长以及自放电率低等优点，已经成为新能源储存和转化的关键器件，被大规模应用于新能源汽车、储能电站、航空航天等领域。由于LIBs内部存在剧烈的电化学反应，在运行过程中连续监测电池状态特性对于分析电池循环性能和安全性至关重要。然而，绝大多数传感器不仅无法准确监测电池内部的状态，甚至在电池内不具备耐久性。因此，对传感器材质和结构进行研究，提出了一种基于金-金热压键合的微机电系统（MEMS）光纤法布里-珀罗（F-P）传感器，从根本上降低温度交叉敏感，提升压力测量精度。经过性能测试，该传感器在-40~60 ℃的宽温度范围内，其压力精度达到1.7×10-4fFS~8.6×10-4fFS（fFS为传感器的满量程），交叉灵敏度低至0.091 kPa/℃，一致性高达99.145%。将传感器植入LIBs后，该传感器在强氧化还原反应的LIBs内部具有极好的稳定性，并且在LIBs中实现长周期循环全过程的压力测量。经过实验验证，LIBs内部的压力与电压、电流之间具有稳定且可重复的关联性。通过建立电池压力基线，发现LIBs在循环过程中的内部压力分为可逆变化与不可逆变化。这种高精度光纤传感器为电池的性能评估和安全性监测提供了一种可行的工具。
光纤传感器 微机电系统 法布里-珀罗干涉仪 金-金热压键合 锂离子电池
1 贵州大学化学与化工学院，贵阳 550025
2 贵州航盛锂能科技有限公司，贵阳 550025
3 贵州省磷氟资源高效利用协同创新中心，贵阳 550025
本文以LiPF6为基础锂盐，LiDFOB+LiBF4+LiPO2F2为锂盐添加剂，氟碳酸乙烯（FEC）+碳酸亚乙烯酯（VC）+三（三甲基硅基）磷酸酯（TMSP）为成膜添加剂，碳酸乙烯酯（EC）+碳酸二甲酯（DMC）+碳酸甲乙酯（EMC）为溶剂，构建低温电解液，用于提升LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）锂离子电池的低温（-20 ℃）性能。采用多种分析技术研究低温电解液的性能，以及锂盐添加剂和成膜添加剂对锂离子电池电化学性能的影响。结果表明，低温电解液具有循环稳定性好、锂沉积性能好的优点，由低温电解液组装的锂离子电池具有优异的低温电化学性能：在-20 ℃、0.1 C倍率下首次放电比容量为171.5 mAh/g，1 C下循环120次容量保持率为96.33%。循环前、后极片的SEM和TEM分析结果表明，在锂盐添加剂和成膜添加剂的作用下，低温电解液会在正极表面形成均匀致密的CEI膜，抑制正极材料开裂，防止电解液的分解，有效提升NCM811锂离子电池在低温下的电化学性能。
锂离子电池 锂盐添加剂 成膜添加剂 低温电解液 电化学性能 lithium-ion battery lithium salt additive film-forming additive low-temperature electrolyte electrochemical property
辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，辽宁 阜新 123000
硅碳复合材料及化合物结合了硅的高储锂性能及碳的结构优异性，然而，其复杂的电化学行为和充放电过程中的体积变化为亟待解决的问题。第一性原理计算作为一种有效的理论工具，在预测和揭示电极材料特性、理解原子尺度电化学机理等方面发挥着重要作用。首先概述第一性原理计算方法，并结合学者近年来利用第一性原理对典型硅碳复合材料及化合物锂离子电池负极材料的研究成果，然后提出锂离子电池硅碳负极材料扩散动力学、界面反应、力学性能和热力学稳定性规律。再从密度泛函理论、算法结合和实验结合3方面对锂离子电池硅碳负极材料第一性原理计算进行了展望，期待开发出性能更优的新型硅碳负极材料，助力新能源领域发展。
第一性原理 锂离子电池 硅碳负极材料 锂离子扩散机制 界面反应 力学性能 热力学稳定性 first-principles lithium-ion battery silicon carbon anode material lithium-ion diffusion mechanism interfacial reaction mechanical property thermodynamic stability
1 1.山东理工大学 材料科学与工程学院, 淄博 255000
2 2.浙江吉利控股集团有限公司博士后科研工作站, 杭州 310000
3 3.浙江大学 材料科学与工程学院, 杭州 310000
4 4.山东硅纳新材料科技有限公司, 淄博 255000
光伏切割硅废料——硅泥, 因其低成本、二维片状结构和高比容量(4200 mAh·g-1)的优势成为300 Wh·kg-1以上高能量密度储能电池核心硅碳负极材料的理想原料之一。然而, 硅泥存在成分复杂、粒径较大、导电性差、稳定性低和电化学性能差的问题, 需要进行系统改性处理。本文综述了硅泥在锂离子电池中的应用研究进展。首先, 分析了硅泥中金属杂质和非金属杂质对电池性能的重要影响。其中金属杂质可通过磁选和酸洗去除, 非金属杂质可通过液-液萃取和热处理去除。其次, 详细阐述了纯化后硅泥的原始性能和改性方法。通过硅泥纳米化可以抑制其膨胀, 其中包括研磨、刻蚀、电热冲击和合金-脱合金等方式; 通过直接元素掺杂硅和掺杂硅表面碳层来提高导电性; 通过构建惰性层、导电层和一定作用的官能团等表面改性提高稳定性; 还可以通过硅碳复合获得稳固的机械支撑和保护。最后, 提出了基于硅泥为原料的硅基负极面临的挑战和研发方向, 展望了未来发展前景, 旨在为硅泥变废为宝提供参考, 推动高能量密度锂离子电池快速发展。
硅泥 光伏切割硅废料 废硅粉 硅碳复合 二维硅 锂离子电池 综述 silicon sludge photovoltaic cutting silicon waste silicon powder waste silicon carbon composite two-dimensional silicon lithium-ion battery review
1 西安建筑科技大学材料科学与工程学院，西安 710055
2 陕西省纳米材料与技术重点实验室，西安 710055
3 西北工业大学材料学院，西安 710072
SiOC 具有理论比容量高、机械柔性好、结构稳定和价格低等一系列优良性能，被认为是极具潜力的锂离子电池负极材料之一。然而，SiOC 电导率低导致倍率性能和循环能力较差，从而制约了其在锂离子电池领域的发展与应用。纳米碳材料具有高比表面积、高机械稳定性以及优异的导电性等特点，与SiOC 复合后作为负极材料可显著改善锂离子电池的电化学性能。本文综述了石墨、碳纳米管、石墨烯以及碳纳米纤维等与SiOC 负极材料的复合工艺路线，探讨了基于不同碳材料的改性设计思路，以及电极微观结构与电化学性能之间的构效关系。最后，指出了SiOC/C 复合负极材料存在的主要问题和发展方向，并展望了SiOC 基负极材料的应用前景。
硅氧碳 碳材料 负极 电导率 锂离子电池 silicon oxycarbide carbon materials anode conductivity lithium-ion battery
1 中国科学院广州地球化学研究所 中国科学院矿物学与成矿学重点实验室/广东省矿物物理与材料研究开发重点实验室，广州 510640
2 中国科学院深地科学卓越创新中心，广州 510640
3 中国科学院大学，北京 100049
4 惠州市鼎元新能源科技有限公司，广东 惠州 516227
纳米硅的储锂容量高，被认为是最有应用前景的新一代锂电负极材料。然而纳米硅的体积膨胀效应和低电导性不利于其实际应用。将天然蒙脱石酸活化和铁负载改性，再经过镁热还原反应，得到了原位复合的硅/硅化铁纳米复合材料。硅化铁具有良好的导电性和机械稳定性，可显著提升硅负极的循环稳定性和倍率性能。在1 A/g 的电流密度下循环500 圈后，硅/硅化铁纳米复合材料的比容量高达781 mA?h/g，容量保持率为77%。该方法为制备高性能硅基负极材料提供了新思路。
蒙脱石 镁热还原 硅化铁 硅纳米材料 锂离子电池负极 montmorillonite magnesiothermic reduction iron silicide silicon nanomaterials lithium-ion battery anode
黄海铭 1,2,3杜静 1,2,3谢捷洋 1,2,3陈情泽 1,2,3,*朱润良 1,2,3
1 中国科学院广州地球化学研究所,中国科学院矿物学与成矿学重点实验室/ 广东省矿物物理与材料研究开发重点实验室, 广州 510640
2 中国科学院深地科学卓越创新中心,广州 510640
3 中国科学院大学,北京 100049
硅负极的体积效应导致锂离子电池的循环寿命短且容量迅速衰减,如何提高硅负极材料的循环稳定性至关 重要。 采用了熔盐辅助镁热还原法,通过使用含有单质碳的工业固体废弃物硅灰,成功设计了一种碳化硅增强的 硅纳米材料(SF-Si),所制备的 SF-Si 样品不仅保留了 SF 本身存在的 SiC,还将单质碳转化为 SiC,使样品中的 SiC 含量达到了 16. 4% (质量分数)。 与经过热处理去除单质碳的硅灰制备的硅材料(H-SF-Si)相比,SF-Si 负极材料表 现出更好的循环性能和倍率性能,即第 1 圈 2 584. 76 mAh·g - 1的高比容量和第 100 圈时具有 83% 的容量保持率, 并且在高电流密度 5 A·g - 1下的平均容量仍为 877. 28 mAh·g - 1 ,这主要归因于更高的 SiC 含量。 研究表明,硅灰 在锂离子电池硅负极领域具有应用潜力,其碳元素在制备硅基纳米材料时发挥积极的作用。
硅/ 碳化硅纳米复合材料 硅灰 镁热还原 锂离子电池 负极材料 工业固体废弃物 silicon / silicon carbide nanocomposite silica fume magnesiothermic reduction lithium-ion battery anode material industrial solid waste 
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Nondestructive Test (Ministry of Education), Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China
2 School of Engineering, Newcastle University, Newcastle Upon Tyne NE1 7RU, UK
3 Faculty of Engineering and Environment, Northumbria University, Newcastle Upon Tyne NE1 8ST, UK
4 State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China
This study proposes a method for real-time monitoring of lithium-ion battery (LiB) internal temperatures through the temperature response of an embedded fiber Bragg grating (FBG) sensor. This approach overcomes the limitations of most methods that can only detect the external temperature at limited places by providing the advantages of sensing both the internal temperature and external temperature at multiple points simultaneously for precise condition monitoring. In addition, a numerical LiB cell model was developed to investigate the heat generation and temperature gradient using the finite element analysis method. The outcomes show that this model can be used to predict the temperature with less than 5% discrepancy (1.5°C) compared with experimental results. Thereby, this proposed method can be effectively used to monitor the safety and state of health of LiBs and other types of rechargeable batteries in real-time.
fiber Bragg grating temperature monitoring lithium-ion battery Chinese Optics Letters
2024, 22(9): 091202
1 湖北工业大学材料与化学工程学院，绿色轻工材料湖北省重点实验室，武汉 430068
2 湖北隆中实验室，湖北 襄阳 441002
二硫化钼在可充电电池等能源存储领域具有广阔的应用前景，然而其电子导电性较差、充放电过程中易粉化和团聚等问题限制了其发展。采用水热法一步合成了液态合金(LM)和二硫化钼(MoS2)的复合负极材料(LM@MoS2)。通过XRD、SEM等综合表征方法对复合材料的结构和形态特性进行了研究。结果表明，液态合金通过静电吸附和配位键等方式有效结合于MoS2，形成稳定的复合结构。此外，复合材料具有较高的可变形性和化学稳定性，促进了电极材料裂纹表面的修复，减少了内部氧化还原反应，提高了锂离子电池的循环稳定性。当LM与MoS2质量比为2:1时，复合材料表现出最佳性能。在0.1 A·g-1的电流密度下，经过100次循环，复合材料的比容量稳定在656.1 mA·h·g-1，容量保持率达74.3%，该研究为锂离子电池电极的裂纹自修复提供了新思路。
二硫化钼 液态合金 锂离子电池 负极材料 自修复 molybdenum disulfide liquid metal lithium-ion battery anode materials self-repairing
