高容量、高倍率充放电铁基负极材料2

铁基氧化物半导体作为锂离子电池负极材料的研究铁基氧化物半导体作为锂离子电池负极材料的研究近年来，随着电动汽车和可再生能源的快速发展，锂离子电池已成为最重要的能量存储和释放装置之一。

然而，现有的锂离子电池负极材料在容量、循环性能和安全性方面仍然存在诸多限制，因此寻找新型高性能负极材料成为了当前研究的热点之一。

铁基氧化物作为一类新型半导体材料，引起了研究人员的广泛关注。

以铁氧化物（Fe3O4）为例，其拥有丰富的资源、良好的环境适应性和良好的可控合成性，使其成为备受研究关注的锂离子电池负极材料之一。

首先，铁基氧化物具有高的理论容量。

以Fe3O4为例，其理论容量高达924 mAh/g，大大超过了目前常见的负极材料石墨（372 mAh/g）。

这意味着铁基氧化物具有潜在的高储能能力，可以显著提高锂离子电池的能量密度。

其次，铁基氧化物具有优异的电化学性能。

由于其特殊的电子结构和离子传输特性，铁基氧化物表现出良好的电导率和离子扩散性能，使得电池具备较高的充放电速率。

同时，铁基氧化物具有较低的电极极化，能够提高循环稳定性和容量衰减的抵抗能力。

此外，铁基氧化物还具有良好的反应活性和可逆性。

铁基氧化物在锂离子嵌入/脱嵌过程中，经历了多相反应、界面反应和离子扩散等多种复杂的物理和化学反应过程。

这些反应不仅影响电池的性能，还与材料的结构调控、纳米级粒子分散度等因素密切相关。

通过调控反应过程和结构设计，可以有效提高铁基氧化物的锂离子嵌入/脱嵌反应效率，从而提高电池的整体性能。

然而，尽管铁基氧化物作为锂离子电池负极材料具有很大的潜力，但在实际应用中仍存在一些挑战。

首先，铁基氧化物在循环过程中容易发生体积膨胀，导致电极材料的破碎和容量衰减。

其次，铁基氧化物的电池充放电过程中，可能会产生大量的电子和离子不稳定中间氧化物，形成电极的重组行为，从而影响电池的稳定性和循环寿命。

因此，在进一步研究中，应关注铁基氧化物的结构设计、界面调控和电极材料的包覆等问题，以提高其在锂离子电池中的应用性能。

全固态锂电池负极材料及其主要作用全固态锂电池是一种新型的锂离子电池技术，以固态材料取代传统液体电解质。

其中，负极材料在全固态锂电池中起着至关重要的作用。

本文将介绍几种常见的全固态锂电池负极材料及其主要作用。

一、锂金属锂金属是全固态锂电池中最常见的负极材料之一。

它有很高的比容量和充放电效率，能够提供更高的电池能量密度和长循环寿命。

然而，锂金属的安全性问题限制了其在商业化应用中的使用。

由于锂金属的极化效应和表面电位的变化，会导致锂枝晶的生长，进而引发电池短路、过热、甚至爆炸等问题。

因此，在实际应用中，需要通过添加表面保护层等措施来解决这一问题。

二、锂钛氧化物（Li4Ti5O12）锂钛氧化物是全固态锂电池中常用的负极材料之一。

与锂金属相比，锂钛氧化物具有更高的安全性和稳定性。

它在锂离子的嵌入/脱嵌过程中不会发生化学反应，因此不会导致枝晶生长和电池短路等问题。

锂钛氧化物的长循环寿命使其成为高能量密度和高功率密度的全固态锂电池的理想负极材料。

三、锂硅合金（Li-Si）锂硅合金是一种具有较高理论比容量的全固态锂电池负极材料。

由于硅具有很高的锂嵌入容量，锂硅合金能够提供更高的能量密度。

然而，硅在锂离子嵌入和脱嵌过程中容易发生体积膨胀和收缩，这导致了负极材料的破裂和严重容量衰减。

因此，需要开发新的纳米结构和包覆技术来解决这个问题。

四、碳材料碳材料是全固态锂电池中常见的负极材料之一。

它具有良好的化学稳定性和导电性能，能够提供稳定的循环性能。

碳材料中的石墨是最常用的负极材料，具有较高的比容量和循环寿命。

此外，碳纳米管、石墨烯等新型碳材料也被广泛研究，它们具有更高的导电性和更大的比表面积，能够提供更高的能量密度和功率密度。

总之，全固态锂电池负极材料的选择对电池的性能和安全性有着重要的影响。

锂金属、锂钛氧化物、锂硅合金和碳材料都是常见的负极材料，它们分别具有不同的特点和优势。

通过进一步的研究和开发，全固态锂电池负极材料的性能和循环寿命将得到进一步的提升，从而促进全固态锂电池的商业化应用。

西安交通大学科技成果——高容量、低成本锂离子电
池用硅-碳负极材料
项目简介
新能源汽车的迅猛发展，为动力电池产业提供了万亿级的市场容量，到2020年底，城市公交、出租车及城市配送等领域新能源车保有量达60万辆。

目前使用的石墨类伏击材料容量低，无法满足高能量密度的需求。

该项目通过为动力电池厂商提供高性能硅碳负极及其他负极材料，以提高纯电动汽车的续航里程2倍以上。

硅负极材料具有极高的理论容量（约4200mAh/g），其容量是现有商业化石墨负极的10多倍。

但其充放电过程中产生的大体积膨胀（约400%）会严重影响循环寿命。

我们团队经过数年研究，提出“清矽硅碳”，对普通微米硅粉进行包覆“均匀+可控”功能层的工艺过程实现“性能+成本”的最优产业升级。

美国能源部高度评价了该项研究成果（2015年仅有2项研究成果受此殊荣）。

市场前景及应用
该产品在以电动汽车为代表的动力电池和消费型电子产品中均
有着广泛的应用前景。

作为新一代高能量密度锂离子电池负极材料，极其发展潜力。

2018年3月，已于多氟多公司开展合作。

该项目还可利用多晶硅太阳能生产过程中产生的废料（如加工多晶硅过程中切割产生的微米硅粉，硅块）为初始原料来制备高附加值硅-碳负极材料，为多晶硅产业的升级转型带来了新的发展机遇。

性能指标（同类产品对比）
技术成熟度工程化阶段
实验室月产量约1吨。

合作方式合作开发
要求：电池领域企业。

化成产气量与负极材料的关系全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：化成产气量与负极材料的关系概述在现代社会中，能源问题一直备受关注。

随着人们对清洁能源的需求不断增加，化成产气技术逐渐成为一种备受瞩目的新型能源生产技术。

化成产气技术通过利用不同类型的负极材料进行电解反应，产生氢气作为清洁能源的一种替代能源。

虽然化成产气技术在提供清洁能源方面具有重要意义，但是其效率和产气量与所选择的负极材料密切相关。

研究化成产气量与负极材料的关系对于提高化成产气技术的效率和产气量具有重要意义。

化成产气技术的基本原理化成产气技术是一种利用化学反应产生氢气的技术。

在这个过程中，负极材料在电解质溶液中发生还原反应，将水分解成氢气和氧气。

而正极材料则在同时发生氧化反应，将氧气还原生成水。

在电解质溶液中，负极材料通常是一种能够释放电子的材料，如金属或半导体。

当负极材料接受电子并发生还原反应时，水分解成氢气和氢氧根（OH-）离子。

这些离子在电解质溶液中扮演着极为重要的角色，促进了水的电解反应的进行。

不同负极材料的特性根据化学反应的性质和特性，不同的负极材料具有不同的电化学活性和电解反应速率。

一般来说，负极材料的电化学活性越高，其电解反应速率就越快，产气量也就越大。

金属负极材料是最常用的一种负极材料，其电化学活性和导电性较高，电解反应速率也较快。

而半导体材料具有更高的电化学活性和导电性，因此在化成产气技术中通常被用于提高产气效率和产气量。

负极材料的形态和结构也会影响其电化学活性和电解反应速率。

对于金属材料来说，纳米材料通常比微米材料具有更高的电化学表面积，可以为电解反应提供更多的活性位点，从而提高产气效率。

对于半导体材料来说，合适的形态和结构可以调控电子的传输和分布，从而提高电解反应的速率。

未来展望随着清洁能源的需求不断增加，化成产气技术将在未来扮演重要的角色。

要实现化成产气技术的商业化应用，需要进一步研究化成产气量与负极材料的关系，提高化成产气技术的效率和产气量。

第52卷第11期 辽 宁 化 工 Vol.52，No.11 2023年11月 Liaoning Chemical Industry November，2023收稿日期： 2023-03-20 铁镍电池负极研究进展王晓函，杨少华*，李继龙 （沈阳理工大学 环境与化学工程学院, 辽宁 沈阳 110159）摘 要：随着中国提出了2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，新能源技术成为中国的重要战略布局领域。

镍铁电池以其超长寿命、高安全性、高可靠性和生态友好的特点，为能源存储和转换设备和系统提供了巨大的机会。

然而，由于电极在水电解质中的钝化、析氢和自放电，导致其容量和充放电速率迅速下降，阻碍了其广泛应用。

总结了近些年国内外相关研究成果，介绍了不同类铁镍电池的改进和优化，通过研究分析，发现铁镍电池仍有进一步提高电池性能的空间。

关 键 词：铁镍电池；负极材料；电解液添加剂中图分类号：TM912 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2023）11-1686-04传统化石燃料的应用为人类社会发展带来了前所未有的繁荣和福祉。

但是，人类活动造成的过多的二氧化碳排放量对全球温度和海洋酸度产生了负面影响。

除此之外，化石燃料是一种不可再生的资源，化石能源的枯竭将迫使人们寻求替代碳源达到维持可持续经济发展的目标。

风能、太阳能、潮汐能、地热能等多种能源是这方面很有前景的途径，但是，这些能源的利用受到了时间性和空间性以及成本问题的限制难以大规模使用[1-4]，储能器件的研究对于提高可再生能源的利用效率非常关键[5]。

目前广泛应用的电池包括：锂离子电池、钠离子电池、镍氢电池、镍铬电池、铅酸电池和水系电池等[6-11]。

通过比较发现，水系镍铁电池具有很多优点：铁在地壳中分布广，负极材料容易获得且成本较低，适用于未来的大规模能源储备；铁镍电池能承受过充和过放，在自然或人为不利的条件下更加安全可靠；使用对环境更友好的电解液，有效阻止了有机电解液在充放电过程中的安全问题。

新材料产业“十三五”发展规划目录前言材料产业是国民经济的根蒂根基产业，新材料是材料产业发展的先导，是重要的战略性新兴产业。

“十三五”时期，是我国材料产业由大变强的枢纽时期。

加快培养和发展新材料产业，对于引领材料产业升级换代，支撑战略性新兴产业发展，保障国度严重工程扶植，促进传统产业转型升级，构建国际竞争新优势具有重要的战略意义。

根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年计划纲要》和《国务院关于加快培养和发展战略性新兴产业的决定》的总体部署，产业和XXX、科技部、财政部等有关部门和单位体例了《新材料产业“十三五”发展计划》。

本计划是指点未来五年新材料产业发展的大纲性文件，是配置政府公共资本和指点企业决策的重要根据。

专栏1新材料的定义与范围新材料涉及领域广泛，普通指新出现的具有优同性能和非凡功能的材料，或是传统材料改进后性能明明提高和产生新功能的材料，主要包括新型功能材料、高性能结构材料和先辈复合材料，其范围跟着经济发展、科技进步、产业升级不断发生变革。

为突出重点，本计划主要包括以下六大领域：①特种金属功能材料。

具有独特的声、光、电、热、磁等性能的金属材料。

②高端金属结构材料。

较传统金属结构材料具有更高的强度、韧性和耐高温、抗侵蚀等性能的金属材料。

③先辈高分子材料。

具有相对独特物理化学性能、适宜在非凡领域或特定情况下应用的人工合成高分子新材料。

④新型无机非金属材料。

在传统无机非金属材料根蒂根基上新出现的具有耐磨、耐侵蚀、光电等非凡性能的材料。

⑤高性能复合材料。

由两种或两种以上异质、异型、同性材料（一种作为基体，其他作为增强体）复合而成的具有非凡功能和结构的新型材料。

⑥前沿新材料。

当前以根蒂根基研究为主，未来市场前景广阔，代表新材料科技发展方向，具有重要引领作用的材料。

一、发展现状和趋势（一）产业现状经过几十年奋斗，我国新材料产业从无到有，不断发展壮大，在体系建设、产业规模、技术进步等方面取得明显成就，为国民经济和国防建设做出了重大贡献，具备了良好发展基础。

2022年，我国锂离子电池产量达750GW h，同比增长超过130%，行业总产值突破 1.2万亿元。

工信部有关负责人表示，2022年，锂电在新能源汽车领域以及风光储能、通信储能、家用储能等储能领域加快兴起并迎来增长窗口期，2022年全国新能源汽车动力电池装车量约295GW h，储能锂电累计装机增速超过130%。

据预测，纳米管导电剂市场2025年将增至32万吨，三年增长近170%。

本文，小编就来给大家盘点一下，未来最具潜力的10大锂电池新材料。

1、硅碳复合负极材料数码终端产品的大屏幕化、功能多样化后，对电池的续航提出了新的要求。

当前锂电材料克容量较低，不能满足终端对电池日益增长的需求。

硅碳复合材料作为未来负极材料的一种，其理论克容量约为4200m A h/g以上，比石墨类负极的372m A h/g高出了10倍有余，其产业化后，将大大提升电池的容量。

现在硅碳复合材料存在的主要问题有：充放电过程中，体积膨胀可达300%，这会导致硅材料颗粒粉化，造成材料容量损失。

同时吸液能力差。

循环寿命差：目前正在通过硅粉纳米化，硅碳包覆、掺杂等手段解决以上问题，且部分企业已经取得了一定进展。

相关研发企业：目前各大材料厂商纷纷在研发硅碳复合材料，如B T R、斯诺、星城石墨、湖州创亚、上海杉杉、华为、三星等。

国内负极材料企业研发硅基材料的情况是：大部分材料商都还处于研发阶段，目前只有上海杉杉已进入中试量产阶段。

2、钛酸锂钛酸锂电池是一种锂离子电池，其正极材料为钛酸锂（L i₂T i O₃），负极材料为碳材料。

相比于传统的锂离子电池，钛酸锂电池具有更高的安全性、更长的使用寿命和更快的充电速度等优势。

钛酸锂电池的正极材料钛酸锂具有较高的化学稳定性和热稳定性，可以提高电池的安全性能。

同时，钛酸锂还具有良好的电化学性能和循环稳定性，能够保持长期的高容量和长寿命。

钛酸锂电池的负极材料采用碳材料，例如天然石墨、人工石墨、碳纤维等，这种负极材料具有较高的比容量和较长的使用寿命。

摘要锂离子电池已经成为现代电子设备和移动终端的能源核心，在全球能源消费市场中所占的比率不断增长。

但是，随着锂离子电池在电动汽车、智能移动设备和大功率电器、电网储能领域的发展，人们对商业化的锂离子电池在比容量和循环稳定性、高倍率性能方面提出了更高的要求。

其中，过渡金属氧化物负极材料是一种新的高比容量材料，由于锂转化反应加快，同时也有良好的储锂性能，经过材料优化和结构升级，可尝试用作锂离子电池的负极材料。

MnO2具有较高的理论比容量（1233 mAh·g-1），但是在放电过程中容易粉化，而TiO2具有充放电循环稳定性好的优点。

因此，我们使用MnO2/TiO2作为锂离子电池的负极材料，并通过其电化学测试研究了储锂性能。

X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和元素分析结果表明所制备的材料为MnO2/TiO2的复合材料。

电化学测试结果表明，在100mA·g-1的电流密度下，TiO2的首次放电比容量为106.7 mAh·g-1，而MnO2/TiO2复合材料的首次放电比容量提高到了740.7 mAh·g-1；100次循环后MnO2/TiO2复合材料的放电比容量仅为38.7 mAh·g-1，比纯TiO2的48.1 mAh·g-1还低，说明在充放电过程中MnO2还是发生了明显的粉化，二氧化钛的结构稳定作用不太明显。

倍率性能结果表示，1000 mA·g-1的高电流密度下可以获得的放电容量是在100 mA·g-1的低电流密度下放电容量的 5.2%，表明制备的MnO2/TiO2材料结构在大电流密度下结构破坏更加迅速。

MnO2/TiO2的复合材料能够提高其储锂比容量，但是循环稳定性和倍率性能并没有得到提升，需要进一步研究。

关键词：锂离子电池；负极材料；MnO2/TiO2AbstractLithium-ion batteries have become the core of modern electronic equipment and mobile terminals, and the market share in the global energy consumption is growing. However, with the development of lithium-ion batteries in the field of electric vehicles, intelligent mobile devices, high-power electrical appliances and power grid energy storage, the higher specific capacity and cycle stability and rate performance are requested. Among them, the transition metal oxide anode material is a new high specific capacity material, because of the rapid lithium conversion reaction and good lithium storage performance. Through material optimization and structural upgrading, the transition metal oxide can be used as a lithium ion battery anode material.MnO2 has a high theoretical specific capacity (1233 mAh/g), but it is easy to pulverize during the charge/discharge process. However, TiO2 has the advantages of good stability of charge and discharge cycle. Therefore, we use MnO2/TiO2 as the anode material of lithium ion battery, and the electrochemical performance of lithium storage has been studied.X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and elemental analysis show that the prepared materials were MnO2/TiO2 composites. The electrochemical test results show that the first discharge capacity of TiO2 is 106.7 mAh/g at the current density of 100 mA/g, and the first discharge capacity of MnO2/TiO2 composites is increased to 740.7 mAh/g. The discharge capacity of MnO2/TiO2 composite is only 38.7 mAh/g after 100 cycles, which is lower than that of pure TiO2(48.1 mAh/g). The results indicate that MnO2is obviously pulverized during charging and discharging process and the structural stability effect of titanium dioxide is not obvious. The results of rate performance show that the discharge capacity at 1000 mA/g is 5.2% of that under the low current density of 100 mA/g, indicating that the prepared MnO2/TiO2material has a obvious structure damage at high current density.MnO2/TiO2 composite material can improve the specific capacity of the lithium storage capacity, but the cycle stability and magnification performance have not been improved, which need further study.Key words：Lithium-ion batteries；Anode material；MnO2/TiO2目录1 文献综述 (1)1.1 锂离子电池的应用与发展 (1)1.1.1 电力电网储能领域 (1)1.1.2 消费电子和移动终端领域 (1)1.1.3 运载工具的动力领域 (1)1.2 商业化锂离子电池目前面临的问题 (2)1.3 国内外研究进展 (2)1.3.1 负极将是能量密度提升的关键 (2)1.3.2 有机物包覆过渡金属氧化物电极材料 (3)为骨架结构混合其它过渡金属氧化物作为电极材料 (3)1.3.3 以TiO21.4 本课题研究内容 (4)2 实验部分 (4)2.1 实验仪器 (4)2.2 实验药品 (5)2.3 实验步骤 (6)2.3.1 电极材料的制备 (6)2.3.2 材料的表征 (7)2.3.3 锂离子电池的组装 (7)2.3.4 样品的电化学性能测试 (7)3 结果与讨论 (8)3.1 材料的表征 (8)3.1.1 样品的X射线衍射分析 (8)3.1.2 样品的红外谱图分析 (8)3.1.3 样品的元素分析 (9)3.2 材料的电化学性能测试 (10)3.2.1 恒电流充放电曲线 (10)3.2.2 100次循环充放电曲线 (12)3.2.3 不同电流密度下充放电测试 (14)4 结论 (15)参考文献 (17)致谢 (19)1 文献综述1.1 锂离子电池的应用与发展1.1.1 电力电网储能领域核能、太阳能、风能等新的高效绿色清洁能源已经开始的到大规模应用。

超级电容1.1 概述 (2)1.1.1 超级电容器的原理与结构及分类....... .. (2)1.1.2 超级电容器的特性.............. .. (4)1.1.3 超级电容器应用领域.... . (6)1.2 超级电容器市场状况 (7)1.2.1 概况 (8)1.2.2 竞争情况.. (11)1.2.3 下游市场...... . (12)1.3 超级电容器技术现状研究 (16)1.3.1 正极材料..... .. (17)1.3.2 负极材料 (18)1.3.3 有机电解液... (18)1.4 主要企业... (18)1.5 主要科研机构与科学家 (20)超级电容器作为一种新型的储能器件以其大容量、高功率密度、强充放电能力、长循环寿命、使用温度范围宽、无污染等许多显著优势在很多领域有着极为广阔的应用前景。

本文从详实的数据入手将超级电容器行业市场与技术现状综合起来，进行了全面深入的研究并对其发展作出了科学的预测。

同时，本文还基于当前国内的实情对产业技术中存在的漏洞提出了较好的解决方案，对技术的改进及产业的优化给出了合理的建议，并预见性的提出将锂离子电池技术与超级电容器技术结合起来研究推广的新思路。

本文不仅对国内从事电池能源业的中小型企业进军超级电容器领域，改进超级电容器生产技术，把握超级电容器市场动向有着较强的指导作用，对国家规范和优化超级电容器行业市场也有借鉴意义。

1.1 概述超级电容器又称电化学电容器，超大容量电容器，超电容器等。

迄今为止，没有规范的命名。

依据其储能机理不同，超级电容器又可分为以炭材料为主要电极材料的双电层电容器和以金属氧化物或导电聚合物为主要电极材料的准电容电容器。

1.1.1 超级电容器的原理（1）双电层电容工作原理双电层理论在19世纪末由Helmhotz等提出，后经Gouy，Chapman，Stern以及其他研究者逐步完善，已经形成较完善的理论。

其原理如图所示，将固体电极浸在电解液中，当施加低于溶液的分解电压的外加电场作用下，在电极与电解液接触的界面，由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用，电荷会重新分布、排列。

[Article]物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.-Chim.Sin.2014,30(7),1281-1289July Received:February 10,2014;Revised:May 7,2014;Published on Web:May 7,2014.∗Corresponding authors.XIE Jing-Ying,Email:xiejingying2007@;Tel:+86-21-24187673.ZHAO Hai-Lei,Email:hlzhao@;Tel:+86-10-82376837.The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (21273019),National Key Basic Research Program of China (973)(2013CB934003),National High Technology Research and Development Program of China (863)(2013AA050902),Shanghai Science and Technology Talent Project Funds,Chian (12XD1421900),and Shanghai Science and Technology Development Funds,China (12dz1200503,13dz2280200).国家自然科学基金(21273019),国家重点基础研究发展计划(973)(2013CB934003),国家高技术研究发展计划(863)(2013AA050902),上海市科技人才计划项目(12XD1421900)和上海市科委科技创新项目(12dz1200503,13dz2280200)资助©Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinicadoi:10.3866/PKU.WHXB201405071锂离子电池高比容量FeSn 2-C 复合负极材料的合成与性能刘欣1解晶莹2,*赵海雷1,3,*吕鹏鹏1王可2丰震河2王梦微2(1北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083;2上海空间电源研究所,上海200245;3新能源材料与技术北京市重点实验室,北京100083)摘要:Sn 基合金负极材料具有高达990mAh ∙g -1的理论比容量,但其也存在因脱嵌锂过程发生巨大的体积变化而导致循环性能较差的问题.本文以Sn 、Fe 、石墨为原料利用简易的高能球磨法成功制备了具有核壳结构的FeSn 2-C 复合物,系统研究了球磨时间、FeSn 2相含量对材料物相结构及电化学性能的影响,并分析了电极的失效机理.研究表明,球磨时间的增加有利于FeSn 2金属间化合物相的形成及材料颗粒的细化,进而有利于材料比容量的增加及循环性能的提升;FeSn 2相含量的增加能够提高FeSn 2-C 材料的比容量,但会降低FeSn 2-C 电极的循环稳定性.经工艺优化及组分调节,球磨24h 合成的Sn 20Fe 10C 70材料具有最优的电化学性能,材料的比容量在540mAh ∙g -1左右,并能稳定循环100次,是一种非常有发展前途的锂离子电池高比容量负极材料.关键词:FeSn 2-C 复合物;相组成;高能球磨;负极材料;锂离子电池中图分类号:O646Synthesis and Properties of FeSn 2-C Composites as Anode Materials forLithium-Ion BatteriesLIU Xin 1XIE Jing-Ying 2,*ZHAO Hai-Lei 1,3,*LÜPeng-Peng 1WANG Ke 2FENG Zhen-He 2WANG Meng-Wei 2(1School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,P .R.China ;2Shanghai Institute of Space Power Sources,Shanghai 200245,P .R.China ;3Beijing Key Laboratory of New EnergyMaterials and Technology,Beijing 100083,P .R.China )Abstract:Tin has a theoretical specific capacity as high as 990mAh ∙g -1,and is thus a potential anode material for high-energy-density lithium-ion batteries.However,it suffers from a huge volume change during lithiation/delithiation process,leading to poor cycle performance.In this paper,core/shell structured FeSn 2-C composites were successfully synthesized by a simple high-energy ball milling technique with Sn,Fe,and graphite powder as raw materials.The FeSn 2-C composite was evaluated as an anode material for lithium-ion batteries.The influence of milling time and final phase composition on the microstructure and electrochemical performance of FeSn 2-C composites was systematically investigated.The failure mechanism of the FeSn 2-C electrode was also analyzed.The results reveal that long milling time can promote the mechanical alloying process of the FeSn 2phase and reduce the particle size of the FeSn 2-C composite,which are beneficial for the increase of the specific capacity and the improvement of the cycle performance of the FeSn 2-C electrode.A high FeSn 2phase content leads to a high specific capacity of the FeSn 2-C1281Acta Phys.-Chim.Sin.2014V ol.301引言目前,锂离子电池已经广泛应用于诸如手机、笔记本电脑、照相机等各类小型便携式电子设备中,并在大规模的电动汽车及储能电站中极具应用潜力.1为了满足动力和储能电池的应用需求,发展高比能量、长寿命及高安全性的锂离子电池势在必行.锂离子电池的比能量直接由正负极材料的比容量及工作电压所决定.在负极材料方面,当前商业化使用的石墨类负极材料的实际比容量已经十分接近其理论比容量(372mAh∙g-1),因而进一步改进和提高其比容量的空间十分有限.Sn以其990mAh∙g-1的高理论比容量受到了业界的广泛关注.2,3但Sn 在嵌脱锂过程中存在巨大的体积变化(高达300%),该变化易导致材料粉化、脱落及电极导电网络的破坏,从而造成循环性能的急剧衰退.4,5为了提升Sn材料的循环性能,通常对其进行纳米化,与第二相复合等技术处理.纳米化可以使其应力变化更加均匀,而与第二相复合可以减小材料在嵌脱锂过程中整体的体积变化.6Sn能与多种过渡金属元素M(M=Ti,Cr,Mn, Co,Fe,Ni,Cu等)形成二元金属间化合物Sn x M y.7-9一般情况下,Sn x M y在首次嵌锂过程中形成Li z Sn合金同时原位生成M单质;在随后的充放电过程中M 不参与嵌脱锂反应,而在其中起到缓冲体积变化的作用.10除金属元素外,C元素也经常被引入与Sn进行复合.C元素不仅资源丰富、形式多样、价格低廉,与Sn复合除能缓冲体积变化外,还能提供一定的容量.而通过将Sn同时与金属M和C复合,形成Sn-M-C三元体系具有更加优异的性能.Todd等11利用机械碾磨法制备的Sn30Co30C40负极材料具有470 mAh∙g-1的比容量并能稳定循环100次以上.Jung 和Wan12利用静电纺丝技术制备的Sn-Ni/碳纤维复合材料的比容量在720mAh∙g-1,循环100次后的比容量仍保持在641mAh∙g-1.相比其它过渡金属元素,Fe具有环保无毒、资源广泛及价格低廉等诸多优点,因而Sn-Fe-C三元体系也具有更大的吸引力.早在1999年,Mao等13-15研究了各Sn-Fe二元金属间化合物及Sn-Fe-C三元复合材料的电化学性能.研究表明,尽管Fe与Sn能形成FeSn2、FeSn、Fe3Sn2、Fe5Sn3等多种金属间化合物,但由于Fe含量过高会抑制Sn-Fe合金比容量的发挥,只有FeSn2能够发挥出高于500mAh∙g-1的比容量.13在Sn-Fe-C三元体系中,Mao等合成了高FeSn2含量及高Fe含量的Sn-Fe-C复合物,前者的比容量高达650mAh∙g-1,但衰减很快;14后者因形成了惰性的SnFe3C相而能稳定循环50次以上,但其比容量也降低到200mAh∙g-1.15Yoon等16通过对Sn 与Fe/C复合物进行高能球磨合成了Sn x(Fe2C)1-x复合材料,性能最优的Sn30Fe47C23材料的循环比容量在400mAh∙g-1,可稳定循环100次.Lee等17通过球磨制备的Sn27.4Fe13.7C58.9组分材料的比容量高达700 mAh∙g-1,但仅能稳定循环30次.Ferguson等18合成的Sn30Fe30C40材料的比容量在500mAh∙g-1左右,循环60次后容量开始出现衰减.由上可知,对于同一Sn-Fe-C三元体系,Sn-Fe 相不同,组分不同,其电化学性能存在明显差异.材料的组成直接决定了其比容量的高低及其在嵌脱锂过程中体积变化的大小,进而也影响到其循环性能的优劣.为了得到一个电化学综合性能最优的Sn-Fe-C三元材料,需要对其组分进行优化.本文利用简便的高能球磨法合成了不同FeSn2相含量(12.5%-100%)的FeSn2-C复合材料,系统地研究了球磨时间及FeSn2相含量对材料结构、形貌及电化学性能的影响,并对材料循环失效的原因进行了分析.所制备的Sn20Fe10C70材料表现出较高的比容量(540mAh∙g-1)和优异的循环稳定性.2实验部分以Sn、Fe(分析纯,国药化学试剂),石墨粉(分析纯,日本hitachi-chem公司)为原料,采用简易的高能球磨法合成FeSn2-C三元合金复合材料.使用行星式球磨机(PM100,德国Retsch公司)进行球磨制备.composites but poor cycling stability of the electrode.The optimized Sn20Fe10C70composite prepared by ball milling for24h(500r∙min-1)shows the best electrochemical performance with a capacity about540 mAh∙g-1for100cycles.The synthesized Sn20Fe10C70composite is a promising anode material for high-energy-density lithium-ion batteries.Key Words:FeSn2-C composite;Phase composition;High-energy ball milling;Anode material;Lithium-ion battery1282刘欣等:锂离子电池高比容量FeSn2-C复合负极材料的合成与性能No.7球磨时,按预设化学计量比称取相应质量的Sn、Fe、石墨粉放入不锈钢球磨罐中.以不锈钢球作为球磨介质,球料质量比控制在20:1.球磨转速设定为500 r∙min-1.为了研究球磨时间对材料合金化程度的影响,对Sn30Fe15C55组分样品进行了不同球磨时间(6, 12,18,24h)的研磨.之后,恒定球磨时间为24h,制备了不同FeSn2相含量的样品(Sn20Fe10C70, Sn30Fe15C55,Sn40Fe20C40及Sn50Fe25C25),用以研究FeSn2相含量对FeSn2-C样品结构及电化学性能的影响.为了对比,采用熔炼方式在Ar气气氛炉中对Sn、Fe 粉进行450°C、12h的热处理制备了纯FeSn2样品.利用铜靶X射线衍射仪(XRD,D/max-2600/ PC,日本Rigaku公司)分析各FeSn2-C样品的物相组成.通过谢乐公式估算各FeSn2-C样品中FeSn2相的晶粒尺寸大小.19利用扫描电子显微镜(SEM,S-4800,日本Hitachi公司)观察各FeSn2-C样品及电极片的微观形貌.利用透射电子显微镜(TEM,JEOL-2100F,日本JEOL公司)分析FeSn2-C样品的微观结构.将各FeSn2-C样品制成电极片并装配成扣式半电池,用以评价材料的电化学性能.分别采用气相沉积碳纤维(VGCF)和羧甲基纤维素钠(CMC)作为电极膜的导电剂和粘结剂.将FeSn2-C样品、VGCF 和CMC按质量比8:1:1在去离子水中分散均匀,形成浆料,然后利用刮刀将制得的浆料涂覆于铜箔表面,再将极片先后在常温和105°C、6h真空中进行烘干处理,最后用打孔器将极片冲成直径为Φ14 mm的圆片,得到最终使用的电极片.在Ar气氛手套箱中(水和氧气含量均小于1μL∙L-1)将电极片与Li片,隔膜及电解液装配成半电池.选用Celgard 2325膜为隔膜,1mol∙L-1六氟磷酸锂(LiPF6)溶于碳酸乙烯(EC)/碳酸甲基乙基酯(EMC)/碳酸二甲酯(DMC)/氟代碳酸乙烯酯(FEC)(体积比为30:30:30: 10)的溶液为电解液.利用电池测试系统(LANDCT2001A,武汉市蓝电电子有限公司)对半电池进行充放电测试,其中截止电压范围为0.01-1.20V,电流密度为100mA∙g-1.3结果与讨论3.1球磨时间的影响球磨时间的长短直接决定了机械合金化反应进行的程度,因而首先研究了球磨时间对Sn30Fe15C55样品结构及电化学性能的影响.经6、12、18和24h 球磨制备的样品分别标记为SnFeC-6h、SnFeC-12h、SnFeC-18h及SnFeC-24h.图1为不同球磨时间下制得FeSn2-C样品的XRD图.由图1可知,球磨6h时, SnFeC-6h样品的主晶相是Sn和Fe单质,FeSn2相较少,表明Sn与Fe形成FeSn2相的机械合金化反应还没有充分进行.SnFeC-6h样品中没有观察到石墨的衍射峰,表明球磨6h后,石墨已经呈现无定形态.当球磨12h时,SnFeC-12h样品的XRD中大部分衍射峰对应为FeSn2相,仅在45°左右还存在一个单质Sn的衍射峰.球磨进行到18h时,SnFeC-18h样品中Sn的含量进一步减少;当球磨进行至24h时,Sn-FeC-24h样品XRD中所有衍射峰均对应FeSn2相,表明机械合金化反应进行完全.球磨时间对于生成FeSn2相的晶粒尺寸也有影响.利用谢乐公式计算得到的SnFeC-12h、SnFeC-18h及SnFeC-24h样品中FeSn2相的晶粒尺寸分别为26.9、20.4及16.4nm.说明随着球磨时间的延长,FeSn2-C样品中的FeSn2相的晶粒尺寸逐渐变小.图2为不同球磨时间制备FeSn2-C样品的SEM 图片.由图可知,当球磨进行6h时,SnFeC-6h样品由均匀的原料粉团聚为几十微米的大块颗粒;球磨12h时,SnFeC-12h样品断裂成无规则形状,二次颗粒尺寸减小至10μm左右,一次颗粒也明显细化;球磨18h后,SnFeC-18h及SnFeC-24h样品的一次颗粒进一步细化,二次颗粒尺寸由于不同程度的团聚介于0.2-5μm之间.因此,随着球磨时间的延长,机械合金化反应进行得更完全,材料的颗粒尺寸也呈现一个逐渐细化的趋势;球磨18h后,材料的二次颗粒尺寸降至几个微米大小并基本保持稳定.为了进一步分析FeSn2-C样品的微观结构组图1不同球磨时间下合成FeSn2-C样品的XRD图Fig.1X-ray diffraction(XRD)patterns of FeSn2-C samples prepared with different milling time1283Acta Phys.-Chim.Sin.2014V ol.30成,选取SnFeC-24h 样品进行了TEM (图3(a))及高分辨TEM (HR-TEM,图3(b))测试.由图4(a)可知,SnFeC-24h 样品的一次颗粒尺寸在20-50nm;颗粒的薄边区域显示出类似核壳结构的包覆形貌(如图4(a)红圈标明区域).进步一放大显示(图3(b)),20nm 左右的FeSn 2晶粒表面包覆有一层5nm 左右的无定形层.内部颗粒显示很好的结晶性,其晶面间距与FeSn 2相的(202)面能很好地吻合.由此可知,在FeSn 2-C 样品中,经高能球磨作用形成的纳米FeSn 2相和无定形碳能够均匀、紧密地结合在一起,这有利于缓冲FeSn 2相在充放电过程中发生的体积变化,进而有利于样品循环性能的提高.对不同时间球磨的FeSn 2-C 样品进行了恒电流充放电测试,图4显示了各样品的前三次充放电曲线,对应的首次充放电数据如表1所示.由图可知,SnFeC-6h 样品显示出Sn 单质典型的多平台(如0.3,0.6,0.7,0.75V 几处)充放电曲线;20而其余三个样品的充放电曲线均为缓慢下降(嵌锂)或上升(脱锂)的斜坡,这与样品中存在纳米级FeSn 2相及无定形碳相吻合.由表1可知,四个FeSn 2-C 样品的首次库仑效率随着球磨时间的延长而逐渐增高.样品的首次不可逆容量主要归因于与电解液反应形成固态电解质中间相(SEI)膜及因脱嵌锂样品发生体积变化造成的粉化.随着球磨时间的延长,样品的颗粒尺寸逐渐细化,其与电解液的反应面积逐渐增加,形成的SEI 膜也不断增加;与此同时,球磨时间的延长也促进生成FeSn 2相的机械合金化反应进行得更加完全,材料发生粉化的概率减小.由于球磨24h 后,FeSn 2-C 样品的二次颗粒尺寸仍保持在微米级,样品的首次不可逆容量的变化更受样品中FeSn 2相含量的影响.随着球磨时间的不断增加,样品中FeSn 2相的含量不断增加,与此对应样品中残存的Sn 单质含量不断下降,在嵌脱锂过程中发生粉化的情况不断减少,样品的首次库仑效率逐渐提高.为了对比不同合金化程度对材料电极嵌锂前后的体积变化的影响,对SnFeC-6h 及SnFeC-24h 极片的截面进行了SEM 观察.图5为SnFeC-6h (a,b)及SnFeC-24h 极片(c,d)嵌锂前(a,c)后(b,d)的截面SEM 图片.图片中左边的活性物质区域与右侧的集流体(铜箔)的分离是由于制样造成的.由图可知,SnFeC-6h 极片在嵌锂后明显增厚,而SnFeC-24h 极片嵌锂后的厚度变化相对较小.观察嵌锂前后极片中的活性物质可知,SnFeC-6h 样品在嵌锂后发生了明显的体积膨胀;而SnFeC-24h 样品颗粒的体积膨胀相对较小.由此可知,通过延长球磨时间促进Sn 与Fe 之间的合金化反应有利于减小极片在嵌锂过程中的体积膨胀,进而有利于电极结构稳定的提高.图6显示了不同球磨时间制得的四个FeSn 2-C 样品的循环性能曲线.由图可知,四个样品的循环比容量随着球磨时间的延长而逐渐升高,分别在450、500、580及620mAh ∙g -1左右.样品的循环比容量同样与样品的机械合金化程度直接相关.四个样品在前50次循环的稳定性均较好,明显优于报导的单质Sn 或FeSn 2材料的循环性能,21,22循环50次后的图2不同球磨时间合成FeSn 2-C 样品的SEM 图片Fig.2Scanning electron microscopy (SEM)images of FeSn 2-C samples prepared with different milling time(a)SnFeC-6h;(b)SnFeC-12h;(c)SnFeC-18h;(d)SnFeC-24h图3SnFeC-24h 样品的TEM (a)及HR-TEM (b)图片Fig.3Transmission electron microscopy (TEM)(a)and high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM)(b)images of SnFeC-24h sampleImage of (b)is the magnified part of the marked region in (a).1284刘欣等:锂离子电池高比容量FeSn 2-C 复合负极材料的合成与性能No.7比容量按球磨时间延长的顺序依次为397.2、475.9、530.6及529.8mAh ∙g -1(见表1).样品相对稳定的循环性能与样品的Sn 30Fe 15C 55组分直接相关,样品中大量存在的Fe 、C 成分,有利于缓冲Sn 在嵌脱锂过程中伴随的体积变化,提升了材料及电极结构的稳定性.有关FeSn 2-C 样品的组成,即FeSn 2相含量对样品性能的影响,将在下一节中展开.3.2FeSn 2相含量的影响图4不同球磨时间合成FeSn 2-C 样品的充放电曲线Fig.4Charge /discharge curves of FeSn 2-C samples prepared with different milling time(a)SnFeC-6h;(b)SnFeC-12h;(c)SnFeC-18h;(d)SnFeC-24h表1不同球磨时间制备FeSn 2-C 样品的电化学性能数据Table 1Electrochemical data of FeSn 2-C samples prepared with different millingtime图5SnFeC-6h (a,b)及SnFeC-24h (c,d)极片嵌锂前(a,c)后(b,d)的截面SEM 图片Fig.5Corss-sectional SEM images of SnFeC-6h (a,b)and SnFeC-24h (c,d)electrodes before (a,c)and after (b,d)lithiation1285Acta Phys.-Chim.Sin.2014V ol.30调节组分中Fe:Sn:C 比例,研究了FeSn 2相含量对FeSn 2-C 样品结构及性能的影响.根据上一节的研究结果,为保证形成FeSn 2相的机械合金化反应发生完全,四个样品的球磨时间均选用24h.根据初始原料加入量,四个样品分别标记为Sn 20Fe 10C 70、Sn 30Fe 15C 55、Sn 40Fe 20C 40和Sn 50Fe 25C 25.为了进行对比,利用高温熔炼法制备了纯FeSn 2样品(纯FeSn 2样品的XRD 、SEM 及前三次充放电曲线见图S1(Sup-porting Information)).图7为不同FeSn 2相含量的FeSn 2-C 样品的XRD 曲线图.由图可知,四个样品的衍射峰均与FeSn 2相能很好地吻合,表明不同含量的Sn 、Fe 、石墨原料经高能球磨24h 均能机械合金化形成FeSn 2相.Sn 20Fe 10C 70样品的XRD 曲线上在45°处还存在一个十分微弱的Sn 单质相的衍射峰,表明碳含量的增多会对FeSn 2相的形成起到一定的妨碍作用.利用谢乐公式对各FeSn 2-C 样品中FeSn 2相的晶粒尺寸进行计算,四个样品中FeSn 2相晶粒尺寸均小于20nm,按FeSn 2相含量逐渐增高的顺序依次为20.8,16.4,15.9及15.6nm.可知,样品中的FeSn 2相晶粒尺寸随着FeSn 2相含量的增加而逐渐变小.图8为不同FeSn 2相含量的FeSn 2-C 样品的SEM 图片.由图可知,四个样品均呈现一次颗粒团聚而成的不规则形状的二次颗粒形貌.四个样品的二次颗粒尺寸最大均在5μm 左右.随着FeSn 2相含量的减少,四个样品的一次颗粒尺寸呈现逐渐细化的趋势.其中,Sn 20Fe 10C 70样品的一次颗粒明显更细,最小颗粒尺寸降至50nm 左右(见S2).对不同FeSn 2相含量的FeSn 2-C 样品进行了电化学性能测试,对应的电化学性能数据如表2所示.由表2可知,除Sn 20Fe 10C 70样品的首次库仑效率较低外,其它FeSn 2-C 样品的首次库仑效率均高于70%,Sn 50Fe 25C 25样品的首次库仑效率更是达到了82.1%,表明经过机械合金化反应形成FeSn 2相后,材料在首次充放电过程中因粉化造成的不可逆容量明显下降.Sn 20Fe 10C 70样品的首次库仑效率明显更低与其内部仍存在部分单质Sn 相有关.通过对极片截面进行SEM 观察分析了FeSn 2相含量对材料及极片嵌锂前后体积变化的影响.图9为Sn 20Fe 10C 70(a,b)及Sn 50Fe 25C 25(c,d)极片嵌锂前(a,c)后(b,d)的截面SEM 图片.由图可知,随着FeSn 2相含量的减少(相应碳含量的增加),Sn 20Fe 10C 70极片嵌锂后的厚度变化小于Sn 50Fe 25C 25极片,前者极片的内部结构变化也明显低于后者.由此可知,增加体积效应小的碳成分的含量有利于减小材料及极片的体积变化,极片的导电网络更易保持稳定,有利于其电化学性能的提升.图6不同球磨时间下合成FeSn 2-C 样品的循环性能Fig.6Cycling performance of FeSn 2-C samples preparedwith different milling time表2不同FeSn 2相含量FeSn 2-C 的电化学性能数据22图7不同FeSn 2相含量的FeSn 2-C 样品的XRD 曲线Fig.7XRD patterns of FeSn 2-C samples with differentFeSn 2phase contents1286刘欣等:锂离子电池高比容量FeSn 2-C 复合负极材料的合成与性能No.7图10显示了不同FeSn 2相含量的FeSn 2-C 样品及纯FeSn 2样品的循环性能.由图可知,纯FeSn 2样品的比容量在530mAh ∙g -1左右,这与文献22报道的数据一致.但纯FeSn 2样品循环性能很差,比容量达到最大后便逐渐衰减.碳的引入明显提高了材料的循环稳定性.四个FeSn 2-C 样品的稳定比容量随着FeSn 2相含量增加而逐渐增高,依次在540、620、640及660mAh ∙g -1左右.FeSn 2-C 样品的循环性能较纯FeSn 2样品明显提升,但也因FeSn 2相含量的不同而有所差异.四个样品在充放电初期均能够保持一个较为稳定的循环性能,但随着循环的继续进行,Sn 50Fe 25C 25、Sn 40Fe 20C 40及Sn 30Fe 15C 55样品的循环曲线中相继出现了一个拐点,之后材料的比容量开始急剧下降.并且,随着FeSn 2相含量的增加,三个样品循环性能出现拐点的时间不断提前(依次在60、75和85次).而Sn 20Fe 10C 70样品在整个100次充放电循环过程中循环性能一直保持稳定,样品循环100次后的比容量保持在472.2mAh ∙g -1.由此可知,FeSn 2相含量的多少会对FeSn 2-C 样品的循环性能产生重要影响.FeSn 2相含量的增加尽管会提升材料的比容量,但其也会促使材料在充放电过程中整体的体积变化加大,因而电极承受这种体积变化而保持结构稳定的能力不断降低,电极性能逐渐恶化.为了分析FeSn 2-C 样品的循环失效机理,对循环前、稳定循环(循环50次)及衰减循环(循环100次)三个状态下的Sn 30Fe 15C 55电极片进行了微观形貌分析,结果如图11所示.由低倍放大的图11(a -c)可知,与循环前极片相比,Sn 30Fe 15C 55样品循环50次后的电极结构基本保持完整,而在循环100次后出现了明显的结构坍塌,某些活性颗粒失去电接触.进一步放大观察电极的颗粒表面(图11(d -f))可知,样品循环50次后极片中的活性物质颗粒分布依旧较为均匀,与导电剂的结合紧密,但已经存在一些颗粒的团聚;而样品循环100次后,极片中的活性物质图8不同FeSn 2相含量的FeSn 2-C 样品的SEM 图片Fig.8SEM images of FeSn 2-C samples with different FeSn 2phase contents(a)Sn 20Fe 10C 70;(b)Sn 30Fe 15C 55;(c)Sn 40Fe 20C 40;(d)Sn 50Fe 25C 25.图9Sn 20Fe 10C 70(a,b)及Sn 50Fe 25C 25(c,d)极片嵌锂前(a,c)后(b,d)的截面SEM 图片Fig.9Corss-sectional SEM images of Sn 20Fe 10C 70(a,b)and Sn 50Fe 25C 25(c,d)electrode before (a,c)and after (b,d)lithiation图10不同FeSn 2相含量的FeSn 2-C 样品的循环性能Fig.10Cycling performance of FeSn 2-C samples withdifferent FeSn 2phase contents1287Acta Phys.-Chim.Sin.2014V ol.30颗粒团聚长大明显,其抵抗体积变化的能力下降,进而在随后的循环中开裂、失效.由此可知,电极结构坍塌是导致FeSn 2-C 样品循环失效的直接原因,而这又是与FeSn 2-C 样品中FeSn 2相含量紧密相关的.随着FeSn 2相含量的减少,碳含量的增加,碳可有效防止活性颗粒的团聚,极片在充放电过程中发生的体积变化也相应变小,电极结构更易保持稳定,因而循环性能逐渐提升.4结论以Sn 、Fe 、石墨粉为原料利用简易的高能球磨法成功制备了FeSn 2-C 三元合金负极材料,研究了球磨时间及FeSn 2相含量对FeSn 2-C 样品物相结构及电化学性能的影响.研究表明,球磨时间的延长有利于形成FeSn 2相机械合金化反应的进行及材料颗粒的细化,进而有利于材料比容量的升高及循环性能的提升;FeSn 2相相比Sn 单质相能减少材料因粉化造成的比容量的损失及首次库仑效率的降低,但其相含量应进行合理的控制;FeSn 2相含量的增加尽管会提升FeSn 2-C 材料的比容量但也会降低电极结构在循环过程中的稳定性,导致电极结构的坍塌,造成材料循环性能的下降.实验表明,高能球磨24h 制备的Sn 20Fe 10C 70材料具有较好的综合电化学性能,材料的比容量在540mAh ∙g -1,并能稳定循环100次.因而它是一类比较有发展前景的高比容量合金负极材料.Supporting Information:available free of charge via the in-ternet at .References(1)Zhamu,A.;Chen,G.;Liu,C.;Neff,D.;Fang Q.;Yu,Z.;Xiong,W.;Wang,Y .;Wang,X.;Jang,B.Z.Energy &Environ.Sci.2012,5,5701.(2)Chang,Y .Q.;Huang,L.;Sun,S.G.Acta Phys.-Chim.Sin.2010,26,561.[常玉清,黄令,孙世刚.物理化学学报,2010,26,561.]doi:10.3866/PKU.WHXB20100231(3)Guo,H.;Zhao,H.;Jia,X.;Li,X.;Qiu,W.Electrochim.Acta 2007,52,4853.(4)Liang,C.;Gao,M.;Pan,H.;Liu,Y .;Yan,pd.2013,575,246.(5)Liu,X.;Xie,J.Y .;Zhao,H.L.;Wang,K.;Tang,W.P.;Pan,Y .L.;Feng,Z.H.;LÜ,P.P.Acta Chim.Sin.2013,71,1011.[刘欣,解晶莹,赵海雷,王可,汤卫平,潘延林,丰震河,吕鹏鹏.化学学报,2013,71,1011](6)Zhang,W.J.J.Power Sources 2011,196,13.(7)Todd,A.D.W.;Mar,R.E.;Dahn,J.R.J.Electrochem.Soc.2006,153,A1998.(8)Guo,H.;Zhao,H.;Jia,mun.2007,9,2207.(9)Fan,X.Y .;Zhuang,Q.C.;Wei,G.Z.;Ke,F.S.;Huang,L.;Dong,Q.F.;Sun,S.G.Acta Phys.-Chim.Sin.2009,25,611.图11Sn 30Fe 15C 55电极循环前(a,d)及循环50次(b,e),100次(c,f)后的SEM 图片Fig.11SEM images of Sn 30Fe 15C 55electrode before cycling (a,d),after 50cycles (b,e)and 100cycles (c,f)Images of (d,e,f)are the magnified parts of (a,b,c),respectively.1288刘欣等:锂离子电池高比容量FeSn2-C复合负极材料的合成与性能No.7[樊小勇,庄全超,魏国祯,柯福生,黄令,董全峰,孙世刚.物理化学学报,2009,25,611.]doi:10.3866/PKU.WHXB20090403(10)Zhang,W.J.J.Power Sources2011,196,877.(11)Ferguson,P.P.;Todd,A.D.W.;Dahn,J.R.Electrochem.Commun.2008,10,25.(12)Jung,H.R.;Wan,J.L.J.Electrochem.Soc.2011,158,A644.(13)Mao,O.;Dunlap,R.A.;Dahn,J.R.J.Electrochem.Soc.1999,146,405.(14)Mao,O.;Dahn,J.R.J.Electrochem.Soc.1999,146,414.(15)Mao,O.;Dahn,J.R.J.Electrochem.Soc.1999,146,423.(16)Yoon,S.;Lee,J.M.;Kim,H.;Im,D.;Doo,S.G.;Sohn,H.J.Electrochim.Acta2009,54,2699.(17)Lee,J.M.;Jung,H.;Hwa,Y.;Kim,H.;Im,D.;Doo,S.G.;Sohn,H.J.J.Power Sources2010,195,5044.(18)Ferguson,P.P.;Liao,P.;Dunlap,R.A.;Dahn,J.R.J.Electrochem.Soc.2009,156,A13.(19)Holzwarth,U.;Gibson,N.Nat.Nanotechnol.2011,6,534.(20)Todd,A.D.W.;Ferguson,P.P.;Fleischauer,M.D.;Dahn,J.R.Int.J.Energy Res.2010,34,535.(21)Chamas,M.;Lippens,P.E.;Jumas,J.C.;Boukerma,K.;Dderyvere,R.;Gonbeau,D.;Hassoun,J.;Panero,S.;Scrosati,B.J.Power Sources2011,196,7011.(22)Zhang,C.Q.;Tu,J.P.;Huang,X.H.;Yuan,Y.F.;Wang,S.F.;Mao,pd.2008,457,81.1289。

铁基负极材料：一种高性能的电池材料一、引言随着电动汽车、可穿戴设备和其他便携式电子设备的快速发展，对高性能电池材料的需求日益增加。

铁基负极材料作为一种具有潜力的电池材料，受到了广泛关注。

本文将详细介绍铁基负极材料的特性、优势、挑战以及未来的发展趋势。

二、铁基负极材料的特性铁基负极材料主要包括铁的氧化物（如Fe2O3、Fe3O4等）、铁的硫化物（如FeS2）以及其他铁基化合物。

这些材料具有以下几个显著特性：高比容量：铁基负极材料具有较高的比容量，这意味着它们可以存储更多的能量。

例如，Fe2O3的理论容量高达1005mAh/g，远高于传统的碳基负极材料。

丰富的资源：铁是地球上最丰富的过渡金属元素，储量丰富且价格低廉，使得铁基负极材料在商业应用上具有巨大潜力。

环境友好：与其他过渡金属氧化物/氢氧化物相比，铁基材料的毒性较小，更环保。

三、铁基负极材料的优势铁基负极材料在电池应用中具有以下优势：高能量密度：由于铁基负极材料具有较高的比容量，因此可以提高电池的能量密度，从而延长设备的使用时间。

低成本：铁是地球上最丰富的过渡金属元素之一，储量丰富且价格低廉，使得铁基负极材料在生产成本上具有明显优势。

良好的安全性：铁基负极材料在充放电过程中表现出较好的结构稳定性，降低了电池的安全风险。

四、铁基负极材料的挑战尽管铁基负极材料具有诸多优势，但在实际应用中仍面临一些挑战：较差的导电性：铁基负极材料的导电性较差，这限制了其在高倍率充放电和快速充电方面的应用。

为了提高导电性，研究者们通常采用纳米结构设计、与导电聚合物复合等方法。

电极材料体积膨胀：在充放电过程中，铁基负极材料会产生较大的体积变化，导致电极材料的粉化和结构破坏。

这严重影响了电池的循环性能和寿命。

为了解决这个问题，研究者们尝试通过制备纳米结构、设计多孔结构以及引入弹性缓冲层等方法来缓冲体积膨胀效应。

电解液兼容性：铁基负极材料在某些电解液中可能表现出较差的稳定性，导致电池性能下降。

导电集流体负极材料
导电集流体在锂离子电池中起到至关重要的作用，特别是在负极材料上。

导电集流体是电池电极中导电元件的集合体，用于收集和传输电流。

在负极材料上，导电集流体充当负极电子流的收集与传输体，导电性能是集流体的首要要求，很大程度影响了锂电池的内阻及循环性能。

常用的锂离子电池负极集流体材料包括石墨、硅和铜箔等。

石墨具有良好的导电性和可循环使用性，是锂离子电池中最常用的负极材料。

硅作为一种高容量负极材料，近年来受到了广泛关注，因为它具有比容量高的特点，可以提高锂离子电池的能量密度和容量。

而铜箔作为锂电池负极材料的载体与集流体，具有优良的导电性、导热性、机械加工性、制造技术成熟和成本优势等特点，是锂电池负极集流体的首选。

此外，随着锂电池向高能量密度、高安全性方向发展，铜箔也在朝着更薄、微孔、高抗拉强度和高延伸率方向发展。

为了得到更高性能的锂电池，导电集流体应与活性物质充分接触，且内阻应尽可能小。

以上内容仅供参考，如需更多信息，建议查阅电池相关文献或咨询电池专家。

金属氧化物负极高倍率（最新版）目录一、金属氧化物负极的概述二、金属氧化物负极的高倍率性能三、金属氧化物负极的应用领域四、金属氧化物负极的研究进展五、金属氧化物负极的未来发展前景正文一、金属氧化物负极的概述金属氧化物负极是一种在新能源领域广泛应用的电极材料，其主要特点是高理论比容量、低成本和环境友好性。

金属氧化物负极材料主要包括过渡金属氧化物、金属氧化物复合材料等，其中过渡金属氧化物负极材料受到研究者们的广泛关注。

二、金属氧化物负极的高倍率性能金属氧化物负极在高倍率性能方面具有很大的优势。

由于金属氧化物负极材料具有较高的电子传导性能和离子扩散性能，因此可以在短时间内实现高容量的充放电。

此外，金属氧化物负极材料在充放电过程中具有较好的循环稳定性，可以保证电池在高倍率下仍具有较长的使用寿命。

三、金属氧化物负极的应用领域金属氧化物负极材料在新能源领域有着广泛的应用，主要包括以下几个方面：1.锂离子电池：金属氧化物负极材料在锂离子电池中具有较高的理论比容量和循环稳定性，可以实现电池的高能量密度和长寿命。

2.钠离子电池：由于金属氧化物负极材料具有较高的离子扩散性能和较低的成本，因此在钠离子电池中具有很好的应用前景。

3.镁离子电池：金属氧化物负极材料在镁离子电池中可以实现较高的容量和循环稳定性，有助于提高电池的整体性能。

四、金属氧化物负极的研究进展近年来，金属氧化物负极材料的研究取得了很大的进展。

研究人员通过优化材料结构、改进制备方法和探索新的材料体系等途径，不断提高金属氧化物负极材料的性能。

此外，针对金属氧化物负极材料在实际应用中存在的问题，如循环稳定性差、电极容易破碎等，研究者们也提出了一系列解决措施。

五、金属氧化物负极的未来发展前景金属氧化物负极材料在新能源领域具有很大的发展潜力。

随着新能源技术的不断发展和市场需求的日益增长，金属氧化物负极材料在高倍率性能、循环稳定性等方面的优势将更加明显。

固态电池负极材料
固态电池负极材料是指在固态电池中用于储存和释放电荷的材料，其主要功能是提供电子输运和离子输运的通道，并保证电池的稳定性和循环寿命。

固态电池负极材料的选择对电池性能有着至关重要的影响，目前常用的固态电池负极材料主要有金属锂、碳材料、硅材料、锂合金等。

金属锂是最常见的固态电池负极材料之一，其具有高能量密度、高电压和长循环寿命等优点，但其使用过程中存在一定的安全隐患，如热失控等。

碳材料作为一种具有良好导电性和化学稳定性的材料，也被广泛应用于固态电池负极中。

硅材料具有高比容量和较高的导电性等特点，但其体积膨胀率较大，容易导致电极破裂，从而影响电池的循环寿命。

锂合金材料是一种新型的固态电池负极材料，其具有高比容量、高导电性和较低的体积膨胀率等优点，但其制备成本较高，目前还处于研究阶段。

为了进一步提高固态电池的性能和循环寿命，目前研究人员正在探索新型的固态电池负极材料，如金属氧化物、硫化物、氮化物等。

这些材料具有良好的电化学性能和化学稳定性，有望成为固态电池负极材料的重要候选。

- 1 -。

固态电池负极材料固态电池是一种新型的能源储存设备，由于其具有高能量密度、长寿命、高安全性等优点，在能源领域具有巨大的应用潜力。

正负极是固态电池的核心组成部分，其中负极材料的选择对固态电池的性能有着重要影响。

负极材料在固态电池中起着存储和释放离子的重要作用。

传统液态电池中常用的负极材料为石墨，然而在固态电池中，由于固态电解质的存在，需要选择合适的负极材料以实现离子的高效传输和嵌入/脱嵌。

固态电池负极材料的要求包括良好的电导率、高的可逆嵌锂容量、较低的价格以及良好的循环性能和稳定性。

目前，研究人员已经提出了多种潜在的固态电池负极材料，并取得了一些突破性的进展。

以下将介绍几种常见的固态电池负极材料。

一、硅基负极材料硅具有较高的嵌锂容量，是一种理想的固态电池负极材料。

然而，硅材料在充放电过程中容易发生体积膨胀，导致电极失稳并影响循环性能。

因此，研究人员提出了多种方法来解决硅材料的体积膨胀问题，例如利用纳米结构改善材料的机械性能、引入复合材料等。

这些方法在一定程度上提高了硅材料的嵌锂容量和稳定性，但仍然存在一些挑战需要克服。

二、锂金属负极材料锂金属具有非常高的嵌锂容量，是一种理想的固态电池负极材料。

然而，由于锂在充放电过程中易发生表面反应和枝晶生长等问题，使得锂金属电极的循环性能和安全性较差。

为了解决这些问题，研究人员开展了诸如锂金属表面涂覆、锂电解质界面调控等工作。

这些方法有望提高锂金属电极的稳定性和嵌锂容量，并实现固态电池的商业化应用。

三、石墨负极材料石墨是一种常见的负极材料，具有较高的电导率和稳定性。

然而，由于固态电解质对离子传输的限制，石墨负极材料的嵌锂容量较低。

为了提高石墨负极材料的嵌锂容量，研究人员提出了一些改进的方法，如结构设计、表面修饰、导电添加剂等。

这些方法能够改善石墨负极材料的嵌锂性能，为固态电池的应用提供更多可能性。

综上所述，固态电池负极材料的研究与开发是实现固态电池商业化应用的重要一环。

铁基液流电池铁基液流电池是目前一种比较新的电池技术，具有高能量密度、容量可调、安全性高、可循环性能优异等优点，被广泛应用于储能领域。

下面我们来详细了解一下铁基液流电池的原理、性能以及应用。

一、铁基液流电池的原理铁基液流电池是一种液态电池，它的正极和负极都是使用液态材料。

正极材料为铁离子的电解质，在高温、高压、高酸浓度条件下，会被氧化成 Fe3+ 和 Fe2+ 离子，发生放电反应。

而负极材料为亚铁离子的电解质，在放电时，会还原成 Fe2+ 离子，发生还原反应。

在这个过程中，电极中的铁离子或亚铁离子会与外部电路连接，通过电子转移形成电流，实现能量的储存和释放。

二、铁基液流电池的性能1. 高能量密度铁基液流电池具有相对较高的能量密度，可以储存大量的电能。

与传统的铅酸电池相比，其能量密度提高了15倍左右，而与锂离子电池相比，其能量密度还略逊一筹，但其更高的安全性和可循环性能优势，使其在长期储能方面表现更为出色。

2. 容量可调铁基液流电池的容量可以通过电解液的流动速度和电解液贮存容积来调节，能够满足不同容量的储能需求。

在高容量情况下，其体积和重量较大，但对于大规模的储能应用，这并不会构成太大的问题。

3. 安全性高铁基液流电池是一种相对安全的电池类型。

其正、负极材料都是在液态电解液中操作，无需担心泄漏的问题。

即使电池被损坏，有可能导致电解质泄漏，但这并不会引发爆炸等危险情况，不会对环境和人体健康造成伤害。

4. 可循环性能优异铁基液流电池的循环寿命非常长，可以达到数千次以上。

这是由于电池内的电解液可以经常更新，而且材料的氧化还原反应也比较稳定，不会导致电池的快速老化。

三、铁基液流电池的应用1. 储能应用铁基液流电池可以应用在新能源储能系统中，例如风力、太阳能等，通过储存多余的电能，为电网提供稳定的电力供应。

与传统的铅酸电池相比，铁基液流电池的循环寿命更长，维护成本更低，因此被广泛应用在大规模的分布式储能系统中。

钠离子电池正负极材料研究新进展作者：周云来源：《时代汽车》2022年第20期摘要：对钠离子电池正负材料的研究始于20世纪，经历了由盛变衰的转变过程，但与此形成对比的是，钠离子元素明显显示出优势和发展前景。

钠离子电池的工作原理与锂离子电池相似，但其成本更低、也更安全，研究钠离子电池的正负材料尤为重要。

本文对现有钠离子正负材料进行了系统的综述。

首先介绍了各种正负材料的电化学结构和特性，并分析了钠离子电池正负材料的局限性。

钠离子电池储能过程中，较大的离子对材料结构有重要影响，导致能量密度损失，以及由于缓慢的反应动力学造成的功率密度下降。

在此基础上总结了目前的改性方法，如掺杂、镀层等。

通过对改性材料的研究，材料的电化学性能可以得到提高，为今后钠离子电池正负材料的应用奠定基础。

关键词：钠离子电池正负极材料研究进展1 引言具有高能量密度和寿命的锂离子电池已发展成为大规模应用的蓄电池，随着社会经济的发展，需求迅速增长。

未来锂离子电池的成本、开发和应用将受到极大的限制。

目前，全世界研究人员关注的焦点是可以取代锂离子电池，能够大规模生产和应用的电池。

钠离子电池与锂离子电池相似，含有钠离子电池的正极材料非常广泛，包括金属氧化物和氟化物等。

由于钠离子电池容量密度低，研究对象广，钠储量大，成本相对较低，可进行各种实验。

例如，金属氧化物包括单金属氧化物、多金属氧化物等。

在正材料离子钠电池充电实验中，通过电解液提取为负材料，电子也从负极变成正极材料。

放电过程虽然相反，但大体上类似于锂离子电池的嵌入和脱嵌机理。

本文主要分析了常规钠离子电池的一些正负材料及应用前景。

2 钠离子电池的研究背景早在150多年前，铅酸电池就已经开始广泛使用，具有较低的储能成本，没有记忆效应，可靠性高，但其使用寿命较短，能量密度低，污染问题严重。

高温钠硫电池发展了约50年，技术较为成熟。

钒氧化还原元素容量大，寿命长，安全性高，然而在应用过程中会受到低能量密度、高成本和钒毒性等特性的限制。