新型高循环稳定性硅-硅氧碳-碳复合结构材料的构造及应用研究

Developing high-performance lithium ion battery is expected by the energy and new technology. Silicon is one of the key materials for high-performance lithium ion batteries on accound of its highest theoretical capacity and low discharge potential for lithium storage. However, the large volume effect in the process of charge-discharge and poor electronic conductivity hinder its commercial applications. To overcome the problem, this project would commence for solving the volume effect and low conductivity of the Si-based anode materials. According to the research into electrochemical performance for the hybrid structure and core-shell nanostructure, a new type of highly-dispersed structure was designed. This structure is a composite nanostructure that silicon nanoparticles were dispersed symmetrically among the porous skeleton composing by elements of carbon, oxygen and silicon. The function of the skeleton is not only as the role of dispersed silicon nanoparticles, but also as buffer for the volume expansion of silicon nanoparticles to resolve the common scientific issues for silicon anode materials. This highly-dispersed structure materials was synthesized by method of high temperature solid-state reaction with silicon nanostructure modified by organic silicon monomer. The innovative achievements with indigenous intellectual property rights would be attained through the implementation of the project. Finally, high specific energy, high stability lithium ion batteries would be promoted.

规模化储能和移动储能对高性能锂离子电池提出更高要求。具有高比容量的硅基负极材料是获得高性能锂离子电池的关键材料之一，然而，较大的充放电体积效应，较低的电导率制约了硅基负极商业化应用。本项目为解决上述问题，首先展开针对硅基材料体积效应的研究。在对混合嵌入型和包覆核壳型硅基材料电化学性能研究的基础上，我们构筑一种新型的牢固高分散结构。在这种结构中，纳米尺寸的硅颗粒能够以化学键结合的方式较为均匀的分散在由碳、硅氧和氧硅三种元素构成的多孔笼状骨架中，这种笼状骨架不仅起到均匀分散硅颗粒的作用，而且能够缓冲硅颗粒在嵌、脱锂中的体积膨胀，解决硅基负极应用中的共性科学问题。这种高分散型结构材料是将表面修饰了有机硅氧烷单体化合物的硅纳米结构颗粒经过固化剂作用形成聚合物铰链结构，然后经高温固相反应得到。通过本项目的实施，将获得具有自主知识产权的创新性成果，并促进高比能、高稳定性的锂离子电池的发展。

规模化储能和移动储能对高性能锂离子电池提出更高要求。具有高比容量的硅基负极材料是获得高性能锂离子电池的关键材料之一，然而，较大的充放电体积效应，较低的电导率制约了硅基负极商业化应用。本项目为解决上述问题，首先展开针对硅基材料体积效应的研究。在对混合嵌入型和包覆核壳型硅基材料电化学性能研究的基础上，我们构筑一种新型的牢固高分散结构。在这种结构中，纳米尺寸的硅颗粒能够以化学键结合的方式较为均匀的分散在由碳、硅氧和氧硅三种元素构成的多孔笼状骨架中，这种笼状骨架不仅起到均匀分散硅颗粒的作用，而且能够缓冲硅颗粒在嵌、脱锂中的体积膨胀，解决硅基负极应用中的共性科学问题。这种高分散型结构材料是将表面修饰了有机硅氧烷单体化合物的硅纳米结构颗粒经过固化剂作用形成聚合物铰链结构，然后经高温固相反应得到。.通过本项目的实施，开发了低成本制备粒径分布在62nm附件的高活性纳米硅的制备方法；开发了比容量 637.7 mAh/g，首周库伦效率78%，100周循环容量保持率≥90%的硅-碳材料产品及工程装备；开发了比容量 637.3 mAh/g，100周循环容量保持率≥88%的硅-硅氧碳-碳材料产品；开展了高容量硅纳米线-硅氧碳-碳复合负极材料的研究，获得的复合结构具有较好的容量保持率，经过350周循环依旧保持740 mAh/g，项目涉及的高比容量硅基负极材料的开发为高比能量锂离子电池的开发提供了关键的材料保障。项目进一步开展了基于硅基的高比能量锂离子电池的开发，获得的锂离子电池，比能量325Wh/kg，循环近300周。通过本项目的实施，发表标注文章10篇，其中SCI文章7篇，获得具有自主知识产权的创新性成果专利3项，培养毕业研究生2名。