鋰離子電池高循環(huán)壽命硅碳復合材料的制備及性能研究

發(fā)布時間：2020-05-29 01:21

【摘要】：硅基材料具有4200 mAh·g~(-1)的高理論比容量和0.37 V vs.Li/Li~+的低脫鋰電位,是非常有潛力的高性能鋰離子電池負極材料。但是硅基材料在嵌/脫鋰時伴隨著高達400%的體積變化,導致硅顆粒的破碎、粉化,使電極材料失去電活性,這嚴重阻礙了硅基材料作為鋰離子電池負極材料的商業(yè)化。碳材料具有優(yōu)異的導電性、出色的化學/電化學穩(wěn)定性和獨特的物理性能,并且來源廣泛、生產成本較低,因此常用作制備硅基復合材料的首選基底。硅碳復合材料不僅可以提高硅的導電性,還可以有效抑制硅的體積膨脹,防止硅納米顆粒的團聚,促進形成穩(wěn)定的固體電解質界面(SEI)膜,進而提高電極的庫倫效率、充放電比容量、循環(huán)性能以及倍率性能等�；趯ι鲜龉杌牧虾吞疾牧系姆治鲅芯�,本文通過測定不同熱解碳的硬度、摩擦系數(shù)、抗磨損能力等機械性能,以及制備硅碳復合材料測定其電化學性能,來研究熱解碳機械性能對硅碳復合材料電化學性能的影響,并且探索新型的硅碳復合材料結構,制備循環(huán)壽命高、儲鋰容量大的硅碳負極材料,同時為實現(xiàn)制備高性能硅基儲能材料提供實驗依據(jù)與思路。主要研究內容如下:(1)以蔗糖、葡萄糖、脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-7)分別作為碳源制備了不同的熱解碳,測定了熱解碳的硬度、摩擦系數(shù)以及抗磨損能力等機械性能并成功制備出不同的硅碳復合材料。結果表明,摩擦系數(shù)小、抗磨損能力強、硬度大的AEO-7熱解碳有利于提高硅碳復合材料的循環(huán)壽命。同時發(fā)現(xiàn)單一碳源包覆無法完全解決Si的體積膨脹問題,抑制/容納硅的體積效應需要多種碳源的協(xié)同作用以及制備具有多孔結構的硅碳復合材料。(2)設計并制備了一種新型的具有3D多孔鳥巢結構的硅碳復合材料Si@SiO_x/CNTs@C。結果表明,脂肪醇聚氧乙烯醚作為一種表面活性劑,有效的降低了Si NPs的表面張力,提高了Si NPs的分散性,同時作為碳源生成的熱解碳與預氧化處理生成的SiO_x層有效抑制了Si NPs在鋰化/去鋰化過程中的體積效應,促進了形成穩(wěn)定的SEI膜。另外,碳納米管、石墨以及熱解碳形成的三維導電網(wǎng)絡增加了整個電極的導電性,也形成了豐富的孔隙結構,有利于電解液的快速滲透和鋰離子的快速傳導。該復合材料在0.42 A·g~(-1)的電流密度下充放電循環(huán)700次后比容量可以保持在1740 mAh·g~(-1)以上,與初始容量相比沒有衰減;在4.2 A·g~(-1)的大電流密度下復合材料的可逆比容量也可達到450 mAh·g~(-1)以上,表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能。(3)通過水熱法制備了具有多重緩沖結構的Si@C微球復合材料。檸檬酸鐵作為一種精心選擇的碳源,采用熱解和淋洗處理可以直接制備介孔碳。具有SiO_x層的Si NPs被均勻的封裝在介孔碳層中,介孔碳層和SiO_x層具有一定的韌性可以抑制Si NPs的體積膨脹。同時介孔碳層中豐富的孔結構可容納Si NPs的體積膨脹,并有效增加電解液對材料的浸潤性;碳納米管具有高的導電性和良好的力學強度,其形成的支撐網(wǎng)絡能夠緩沖Si@C微球的體積膨脹,提高復合材料的導電性和抗疲勞性。具有多重緩沖結構的Si@C電極在0.42 A·g~(-1)的電流密度下具有2956/4197 mAh·g~(-1)的高初始充電/放電比容量,在2.1 A·g~(-1)的大電流密度下循環(huán)800次以后容量仍然可保持在1127 mAh·g~(-1)以上,展示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和出色的倍率性能。
【圖文】：

鋰離子電池,工作原理圖