高性能硅碳鋰離子電池負(fù)極材料的制備及性能研究.pdf

1、硅作為鋰離子電池負(fù)極材料，具有非常高的理論比容量（4200 mAh g-1）、較低的嵌脫鋰電位以及與電解液反應(yīng)活性低等性質(zhì)。但是，硅基負(fù)極在嵌脫鋰過程中會出現(xiàn)體積膨脹（~300％），使得硅顆粒破碎、粉化，且使電極失去電活性，從而導(dǎo)致容量衰減；此外，硅的較低電導(dǎo)率和較差倍率性能也嚴(yán)重影響了其作為商業(yè)負(fù)極方面的應(yīng)用。本文以納米硅粉為硅源，以甲階酚醛樹脂為碳源，采用兩種不同的制備方法合成了硅碳復(fù)合材料，并對其形貌、結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。

2、主要研究成果如下：
　?。?）采用溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝合成法，在納米硅粉上原位合成單壁碳納米管/有序介孔碳三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，制得硅/單壁碳納米管/有序介孔碳（Si/SWCNT/OMC）復(fù)合材料，并用SEM、TEM、BET、TGA和XRD等測試手段對材料的微觀形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。針對電化學(xué)性能，制備三種含有不同質(zhì)量比例的硅碳復(fù)合材料與原材料進(jìn)行了對比。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)制得含有17 wt.%，41 wt.%，58 wt.%硅的Si/SWCN

3、T/OMC復(fù)合材料，在電流密度為400 mA g-1下，硅含量為41 wt.%時，性能最好，首次放電比容量高達(dá)1741.6 mAh g-1，首次庫侖效率為70.8%。經(jīng)過50次循環(huán)后，可逆放電比容量仍高達(dá)848.7 mAh g-1，表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能；通過不同電流密度下的充放電測試，材料顯示了良好的倍率性能。Si/SWCNT/OMC優(yōu)異的電化學(xué)性能，主要?dú)w因于單壁碳納米管和均一有序介孔孔道結(jié)構(gòu)。其中，單壁碳納米管具有良好的導(dǎo)電性與彈性

4、；具有高比表面積和穩(wěn)定機(jī)械性能的有序介孔碳構(gòu)成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使該復(fù)合材料能有效釋放硅體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力，且為鋰離子和電子的快速傳輸提供保證。
　?。?）采用靜置揮發(fā)法，在泡沫銅表面包覆含有硅粉的甲階酚醛樹脂，得到無需粘結(jié)劑的硅粉/無定形碳/泡沫銅（Si/C/Cu）整體負(fù)極材料，通過SEM、TEM、XRD和TGA等測試手段對材料微觀形狀與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。采用恒流充放電測試其電化學(xué)性能，研究了兩種復(fù)合材料Si-0.55/C/Cu和S

5、i-0.625/C/Cu對電池比容量的影響。結(jié)果表明：Si-0.55/C/Cu整體電極電化學(xué)性能優(yōu)異，且在100 mA g-1的電流密度下，經(jīng)過50次充放電循環(huán)后，放電比容量仍高達(dá)907 mAh g-1；通過不同電流密度下的充放電測試，在電流密度為1000 mA g-1時，電池的可逆容量仍然可以保存在470 mAh g-1，顯示了良好的倍率性能。Si/C/Cu優(yōu)異的電化學(xué)性能，主要?dú)w因于，泡沫銅的多孔結(jié)構(gòu)，為硅粉的體積膨脹提供了空間；具