NEC锂离子电池及其研究进展
摘 要
内燃机的出现意味着石油时代的来临。近年来，伴随着着社会的高速发展，对于能源使用的需求逐渐增多，但此时如若仍是以化石能源作为主要的资源消耗对象，那么必然会出现能源告急的问题，因为化石等能源是不可再生资源，长期的消耗必然意味着化石能源的逐渐减少。这些资源的殆尽不仅意味着资源的有效利用率有所降低，还意味着地球生态环境将遭到极大的破坏。在此背景下，运用现代化技术开发新能源已经成为了很多国家的主要发展内容，相关技术也成为了很多学者研究的热点。就目前的储能市场来看，锂电池无疑扮演着主力军的角色，且应用范围也逐渐扩大。但不可否认的是，即便锂电池的发展已经经历了多个阶段，但仍无法完全满足当下人们生活、工作对于储能的需求。所以本文就是以锂电池为研究对象，针对负极材料的发展历史进行分析，同时重点阐述了Si基负极材料的具体内容，并就不同的改性方式等做出了探讨与说明。希望本文的研究能够为锂电池的设计与发展提供参考与帮助。
关键词：锂离子电池；硅基负极材料；硅；硅碳复合材料
第一章 常见负极材料分类及研究进展
锂离子电池在目前并不少见，且已经大规模地投入到了商业领域当中，但伴随着人们日益提升的能源需求，研发出储能更强、功率更大的锂离子电池仍有一定的现实意义。电池性能的优劣很大程度上取决于电极材料，而可以发挥预想作用的电极材料应当具备以下几点特征：
第一，应具备易合成的特点，且要求有一定的性价比优势，简单来说就是成本要低，能够在自然界中大量存在，无需耗费多余的方式与资源挖掘。
第二，比表面积大，且越大就意味着电极材料与电解液接触程度越高，那么此时的电池容量也就越大，可以作用范围就更广。
第三，确保电池在循环过程中的能量密度处于合理范围内。
第四，能够保证材料不会在电解液中出现任何形式的化学反应，确保材料整体的稳定性。
第五，在充电以及放电的过程中，要将负极材料的变形程度控制在合理范围内。
第六，要确保离子迁移率和电子电导率保持在一个较高的水平，此时才能够保证电极材料的整体稳定性。
第七，要具备一定的可逆性。
第八，能够在工作过程中保证电池的工作压力处于合理范围内。
第九，有一定的储能率。
第十，能够在首次放电的过程中保持稳定的SEI膜结构。
第十一，材料能够对电解液有较强的浸润性。
第二章 硅基负极材料研究进展及其纳米粉体制备
纳米颗粒最大的特点就是无论是尺寸还是界面都会呈现出比较具有优势的电化学性能。纳米结构负极材料除了能够提供大量活性位点的同时，还能够有效地提升电极反应的动力学，此时Li+的传输路径就会得到进一步的简化，减少了一些不必要的成本与资源消耗，更重要的是缩短了传输过程中的时间成本，其出现不均匀嵌入脱出应变问题的概率更会得到控制，整体的稳定性要明显很多。
此外从堆垛密度来看，纳米材料要比完整的晶体更低，会出现大量的表面晶界，此时锂金属出现体积膨胀问题的概率就会大大降低，与此同时也会出现晶粒尺寸大幅减小的情况，这样就可以有效地控制器出现错位等问题。在实际应用过程中，纳米结构的金属出现不全位错的概率更大，这一点与合金之间十分相似。所以说一些高纳米材料在相对完整的状态下，可承受的应力相对来说会有比较明显的提升。因为纳米材料的塑性以及可变性相对来说比较强，在体积变化并产生了一定的应力之后，其就会被纳米材料所吸收，电极材料在循环过程中的稳定性就会更加明显地展现出来。
ZHAO等人专门对纳米多孔硅进行了研究与实验，在实验过程中对其进行充放电的循环，通过观察发现在不同的循环电容下，该材料会出现比较明显的变化。在1000mAh/g和2000mAh/g的容量下，循环次数有十分明显的波动，前者达到了1500次，而后者只有460次。且在后者这一电容条件下，衰减速度会更加明显。在借助同步X射线纳米断层成像技术对其变化进行观察时发现，在整个循环的过程中，纳米多孔硅会出现剥落的情况，体积也会在这一过程中明显放大，这也是电极材料出现变形问题的主要原因。在低电容循环的情况下，假设采取的是多孔硅结构材料，那么此时就可以为体积的膨胀提供更大的空间，直白来说就是即便出现了严重的变形情况，在该结构下也能够好地得到处理，且形成良性循环的局面。
一些国外的学者还专门采用离子沉积和蚀刻技术制备出了部分或者是全部中空的结构形态，同时也对其表径做出了测试。通过电化学分析之后发现，在16C以及1C倍率下，这种形式的负极材料组装的电池首次放电容量分别为4125mAh/g和3302.14mAh/g。假设是在12C倍率下，那么此时的容量一般会稳定在1553mAh/g左右。
第三章 结论
在现代化的时代背景下，新能源的开发与利用成为了社会发展的一个热门话题，在使用纳米技术的过程中，纳米颗粒和薄膜电极的分布因为带有一定的非均匀性特征，所以使用寿命受到了一定程度的限制。如若能够对其应力等进行控制，那么就能够有效地解决这一问题。电解质的有效分布很大程度上会依赖于纳米管等的孔径以及孔隙率，如若能够保证处于均匀分布状态，那么电化学的性能理论上来说可以达到最大化。
本文一方面阐述了当前国内外锂离子电池的发展现状与研究背景，另一方面针对一些比较常见的负极材料进行了阐述与分类，并就不同电极材料的特点等进行了总结与分析。
当前，大部分商业化的锂离子电池负极材料大部分情况下仍选择的是碳材料，这种材料的确能够在一定程度上满足电池需求，但在人们对于能源需求不断提升的背景下，这种单纯的材料显然已经无法应对。在此情况下，硅负极材料随之出现，加上国外在这一方面的研究相对来说比较深入，这种材料在商业领域中的应用范围也在不断扩大。国内近几年在这一方面的研究取得了可观的成绩，但因为起步较晚，所以整体来说还有一定的技术壁垒，这些都将在未来被逐一打破。
NEC锂离子电池及其研究进展
摘 要
内燃机的出现意味着石油时代的来临。近年来，伴随着着社会的高速发展，对于能源使用的需求逐渐增多，但此时如若仍是以化石能源作为主要的资源消耗对象，那么必然会出现能源告急的问题，因为化石等能源是不可再生资源，长期的消耗必然意味着化石能源的逐渐减少。这些资源的殆尽不仅意味着资源的有效利用率有所降低，还意味着地球生态环境将遭到极大的破坏。在此背景下，运用现代化技术开发新能源已经成为了很多国家的主要发展内容，相关技术也成为了很多学者研究的热点。就目前的储能市场来看，锂电池无疑扮演着主力军的角色，且应用范围也逐渐扩大。但不可否认的是，即便锂电池的发展已经经历了多个阶段，但仍无法完全满足当下人们生活、工作对于储能的需求。所以本文就是以锂电池为研究对象，针对负极材料的发展历史进行分析，同时重点阐述了Si基负极材料的具体内容，并就不同的改性方式等做出了探讨与说明。希望本文的研究能够为锂电池的设计与发展提供参考与帮助。
关键词：锂离子电池；硅基负极材料；硅；硅碳复合材料
第一章 常见负极材料分类及研究进展
锂离子电池在目前并不少见，且已经大规模地投入到了商业领域当中，但伴随着人们日益提升的能源需求，研发出储能更强、功率更大的锂离子电池仍有一定的现实意义。电池性能的优劣很大程度上取决于电极材料，而可以发挥预想作用的电极材料应当具备以下几点特征：
第一，应具备易合成的特点，且要求有一定的性价比优势，简单来说就是成本要低，能够在自然界中大量存在，无需耗费多余的方式与资源挖掘。
第二，比表面积大，且越大就意味着电极材料与电解液接触程度越高，那么此时的电池容量也就越大，可以作用范围就更广。
第三，确保电池在循环过程中的能量密度处于合理范围内。
第四，能够保证材料不会在电解液中出现任何形式的化学反应，确保材料整体的稳定性。
第五，在充电以及放电的过程中，要将负极材料的变形程度控制在合理范围内。
第六，要确保离子迁移率和电子电导率保持在一个较高的水平，此时才能够保证电极材料的整体稳定性。
第七，要具备一定的可逆性。
第八，能够在工作过程中保证电池的工作压力处于合理范围内。
第九，有一定的储能率。
第十，能够在首次放电的过程中保持稳定的SEI膜结构。
第十一，材料能够对电解液有较强的浸润性。
第二章 硅基负极材料研究进展及其纳米粉体制备
纳米颗粒最大的特点就是无论是尺寸还是界面都会呈现出比较具有优势的电化学性能。纳米结构负极材料除了能够提供大量活性位点的同时，还能够有效地提升电极反应的动力学，此时Li+的传输路径就会得到进一步的简化，减少了一些不必要的成本与资源消耗，更重要的是缩短了传输过程中的时间成本，其出现不均匀嵌入脱出应变问题的概率更会得到控制，整体的稳定性要明显很多。
此外从堆垛密度来看，纳米材料要比完整的晶体更低，会出现大量的表面晶界，此时锂金属出现体积膨胀问题的概率就会大大降低，与此同时也会出现晶粒尺寸大幅减小的情况，这样就可以有效地控制器出现错位等问题。在实际应用过程中，纳米结构的金属出现不全位错的概率更大，这一点与合金之间十分相似。所以说一些高纳米材料在相对完整的状态下，可承受的应力相对来说会有比较明显的提升。因为纳米材料的塑性以及可变性相对来说比较强，在体积变化并产生了一定的应力之后，其就会被纳米材料所吸收，电极材料在循环过程中的稳定性就会更加明显地展现出来。
ZHAO等人专门对纳米多孔硅进行了研究与实验，在实验过程中对其进行充放电的循环，通过观察发现在不同的循环电容下，该材料会出现比较明显的变化。在1000mAh/g和2000mAh/g的容量下，循环次数有十分明显的波动，前者达到了1500次，而后者只有460次。且在后者这一电容条件下，衰减速度会更加明显。在借助同步X射线纳米断层成像技术对其变化进行观察时发现，在整个循环的过程中，纳米多孔硅会出现剥落的情况，体积也会在这一过程中明显放大，这也是电极材料出现变形问题的主要原因。在低电容循环的情况下，假设采取的是多孔硅结构材料，那么此时就可以为体积的膨胀提供更大的空间，直白来说就是即便出现了严重的变形情况，在该结构下也能够好地得到处理，且形成良性循环的局面。
一些国外的学者还专门采用离子沉积和蚀刻技术制备出了部分或者是全部中空的结构形态，同时也对其表径做出了测试。通过电化学分析之后发现，在16C以及1C倍率下，这种形式的负极材料组装的电池首次放电容量分别为4125mAh/g和3302.14mAh/g。假设是在12C倍率下，那么此时的容量一般会稳定在1553mAh/g左右。
第三章 结论
在现代化的时代背景下，新能源的开发与利用成为了社会发展的一个热门话题，在使用纳米技术的过程中，纳米颗粒和薄膜电极的分布因为带有一定的非均匀性特征，所以使用寿命受到了一定程度的限制。如若能够对其应力等进行控制，那么就能够有效地解决这一问题。电解质的有效分布很大程度上会依赖于纳米管等的孔径以及孔隙率，如若能够保证处于均匀分布状态，那么电化学的性能理论上来说可以达到最大化。
本文一方面阐述了当前国内外锂离子电池的发展现状与研究背景，另一方面针对一些比较常见的负极材料进行了阐述与分类，并就不同电极材料的特点等进行了总结与分析。
当前，大部分商业化的锂离子电池负极材料大部分情况下仍选择的是碳材料，这种材料的确能够在一定程度上满足电池需求，但在人们对于能源需求不断提升的背景下，这种单纯的材料显然已经无法应对。在此情况下，硅负极材料随之出现，加上国外在这一方面的研究相对来说比较深入，这种材料在商业领域中的应用范围也在不断扩大。国内近几年在这一方面的研究取得了可观的成绩，但因为起步较晚，所以整体来说还有一定的技术壁垒，这些都将在未来被逐一打破。
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