新一代鋰電池矽基負電極材料的最佳化和製備方法

《新一代鋰電池矽基負電極材料的最佳化和製備方法》是依託重慶大學，由劉娟芳擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：新一代鋰電池矽基負電極材料的最佳化和製備方法
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉娟芳
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

鋰電池新型負電極材料中，矽因其具有較低的電壓平台和最高的理論電容而極具潛力和優勢，是最有希望成為新一代高效鋰電池負電極必選材料之一。但是，鋰化中極高的體積效應所引起的活性材料粉化和電極失效，是矽基電極套用亟待解決的問題之一。本項目借用分子模擬、數值計算、理論分析和實驗研究，表征新型多孔複合矽基材料的微觀結構特性、動力傳輸特性和巨觀性能參數；深入研究微觀分子構形、結構形態、鋰化相態對鋰離子傳輸微觀過程和電極性質的影響和協同規律；尋求新型複合矽基材料微觀結構調控與巨觀性能參數的內在關聯；發展新理論及實驗方法，探析新型多孔複合矽基電極材料內的新現象和新規律；從原子水平上，揭示控制鋰化過程中體積和結構變化、強化鋰離子傳輸過程的關鍵因素和機制。旨在實現優異矽基電極微觀結構的理性化設計、性能的準確預測和簡單高效製備，有效解決目前矽基材料推廣套用的技術瓶頸，並為促進其大規模套用提供理論指導和新途

結題摘要

鋰電池新型負電極材料中，矽因其具有較低的電壓平台和最高的理論電容而極具潛力和優勢，是最有希望成為新一代高效鋰電池負電極必選材料之一。但是，鋰化中極高的體積效應所引起的活性材料粉化和電極失效，是矽基電極套用亟待解決的問題之一。本項目借用分子模擬、數值計算、理論分析和實驗研究，表征了新型多孔複合矽基材料的微觀結構特性、動力傳輸特性和巨觀性能參數；從原子和量子水平，深入分析了矽基電極的微觀構形、結構形態、鋰化的微觀過程、銅矽的界面結合機理，獲得了控制鋰化過程中體積和結構變化、強化鋰離子傳輸過程的關鍵因素和機制。利用數值模擬方法，分析了冷噴塗中送粉氣流對噴管中氣固兩相流流動形態、動量和能量交換以及顆粒沉積特性的影響，得出送粉氣流的相關參數實際上在很大程度上制約著噴塗效果的結論，引起了人們對送粉氣流的關注；通過引入形狀因子分析了塊狀矽粒與球形金屬顆粒沉積特性的不同，獲得了塊狀顆粒的沉積過程中噴塗參數調控規律和最佳噴塗效果時所對應的顆粒形狀。利用氣體動力噴塗技術成功地將活性材料微米級矽顆粒噴塗在作為集電器的銅箔上；通過沉積形貌和質量變化的觀測，發現了矽沉積銅後質量減小的特有現象及其原因；並通過單顆矽顆粒沉積，探明了銅矽間銅基的絕熱剪下失穩和顆粒間機械咬合的結合機理。綜合各個尺度上矽顆粒在銅箔上沉積的研究，探明了矽銅之間特有的結合機制以及矽基材料微觀結構調控與巨觀性能參數的內在關聯。最終實現了優異矽基電極微觀結構的理性化設計、性能的準確預測和簡單高效製備，有效解決目前矽基材料推廣套用的技術瓶頸，並為促進其大規模套用提供理論指導和新途徑。