以納米硅粉為硅源,乙酸銅為銅納米粒子前驅(qū)體,雙官能團甲基丙烯酸酯單體為溶劑和碳源,利用熱引發(fā)聚合方法,結(jié)合高溫氬氣氣氛煅燒,原位可控合成硅/銅/碳納米雜化材料,并通過后續(xù)不同氣氛（空氣或者空氣結(jié)合氫氣）、不同溫度條件下熱處理,進一步調(diào)控雜化材料中碳基質(zhì)含量,達到改善單質(zhì)硅負(fù)極材料循環(huán)性能、提高雜化材料導(dǎo)電性能的目的。采用粉末衍射（XRD）、能量彌散X射線譜圖（EDX）、熱重分析實驗（TGA）、掃描電鏡（SEM）、電化學(xué)阻抗測試（EIS）以及鋰離子電池循環(huán)性能測試等方法對雜化材料的結(jié)構(gòu)、結(jié)晶、組成、形貌、導(dǎo)電性能以及鋰電循環(huán)性能進行了較為系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明,單質(zhì)硅以及單質(zhì)銅均勻分布在碳基質(zhì)中;單質(zhì)銅的形成有效提高了雜化材料的導(dǎo)電性;后期熱處理能夠進一步調(diào)控碳基質(zhì)含量,從而使得雜化材料初始放電比容量從1156mAh/g提高到1997mAh/g,而循環(huán)性能得到一定程度保持。 

【文章來源】：材料導(dǎo)報. 2016,30(24)北大核心

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

圖１硅／碳以及硅／銅／碳納米雜化材料的ＸＲＤ譜圖

位置出現(xiàn)銅衍射峰，分別對應(yīng)于單質(zhì)銅（１１１）、（２００）和（２２０）晶面。另外，在４４．６°、４５°、６５°和８２°出現(xiàn)微弱Ｃｕ３Ｓｉ衍射峰。通過Ｄｅｂｙｅ－Ｓｃｈｅｒｒｅｒ公式估算，銅納米粒子顆粒尺寸在２５ｎｍ左右。ＸＲＤ數(shù)據(jù)證明通過惰性氣氛高溫煅燒成功合成出單質(zhì)銅。圖１硅／碳以及硅／銅／碳納米雜化材料的ＸＲＤ譜圖Ｆｉｇ．１ＸＲＤｓｐｅｃｔｒａｏｆｔｈｅＳｉ／ＣｕａｎｄＳｉ／Ｃｕ／ＣｎａｎｏｈｙｂｒｉｄｓＳＥＭ圖片（見圖２）顯示Ｓｉ／Ｃｕ／Ｃ雜化材料和Ｓｉ／Ｃ雜化材料形貌沒有明顯區(qū)別。顆粒尺寸大致都在幾十納米到一百多納米之間，并且有不同程度團聚。因此，進一步采用ＥＤＸ研究了硅、銅納米粒子在碳基質(zhì)中的分布情況。如圖３所示，雜化材料中硅、銅在碳基質(zhì)中的分布都非常均勻。半定量數(shù)據(jù)表明，硅、銅原子比大約為５∶１。圖２硅／碳（ａ）以及硅／銅／碳（ｂ）納米雜化材料的ＳＥＭ圖Ｆｉｇ．２ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｔｈｅＳｉ／Ｃ（ａ）ａｎｄＳｉ／Ｃｕ／Ｃ（ｂ）ｎａｎｏｈｙｂｒｉｄｓ熱重分析（ＴＧＡ）表明Ｓｉ／Ｃ、Ｓｉ／Ｃｕ／Ｃ雜化材料中碳基質(zhì)含量分別為５６％和４８％（見圖４）。雜化材料中碳基質(zhì)能夠·１７硅／銅／碳納米雜化材料制備及鋰電性能研究／王梅梅等·

緩沖硅顆粒充放電過程中的體積膨脹，對于穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)有一定的幫助。圖３硅／銅／碳納米雜化材料的ＥＤＸ譜圖Ｆｉｇ．３ＥＤＸｓｐｅｃｔｒａｏｆｔｈｅＳｉ／Ｃｕ／Ｃｎａｎｏｈｙｂｒｉｄ圖４硅／碳以及硅／銅／納米雜化材料的ＴＧＡ譜圖Ｆｉｇ．４ＴＧＡｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅＳｉ／ＣａｎｄＳｉ／Ｃｕ／Ｃｎａｎｏｈｙｂｒｉｄｓ２．２硅／碳以及硅／銅／碳雜化材料電化學(xué)性能Ｓｉ／Ｃ以及Ｓｉ／Ｃｕ／Ｃ的鋰電循環(huán)性能如圖５所示。循環(huán)性能測試條件為：０．２Ｃ（２００ｍＡ／ｇ）電流密度下循環(huán)５０次，電壓變化范圍０．００５～３Ｖ。Ｓｉ／Ｃ雜化材料首次充放電容量分別為１０７１ｍＡｈ／ｇ、１３６７ｍＡｈ／ｇ；而Ｓｉ／Ｃｕ／Ｃ雜化材料首次充放電容量分別為８５１ｍＡｈ／ｇ、１１５６ｍＡｈ／ｇ。從首次充放電比容量來看，在雜化材料中引入單質(zhì)銅，雜化材料容量有所降低。這是由于雜化材料中不具備鋰電活性的單質(zhì)銅，降低了硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而損失了部分容量。５０次循環(huán)之后，硅／碳充放電比容量分別為５３５ｍＡｈ／ｇ、５５０ｍＡｈ／ｇ；而硅／銅／碳充放電比容量分別為３４７ｍＡｈ／ｇ、３５４ｍＡｈ／ｇ。從循環(huán)性能來看，Ｓｉ／Ｃｕ／Ｃ雜化材料循環(huán)性能相比Ｓｉ／Ｃ雜化材料沒有明顯改善。這可能是由于雜化材料中單質(zhì)銅含量較低，不能形成連續(xù)基質(zhì)，沒有有效緩沖體積膨脹。圖６為電池經(jīng)過３次充放電循環(huán)之后的交流阻抗譜圖。圖６中高頻區(qū)和中頻區(qū)分別有兩個半圓弧，分別代表在活性物質(zhì)與電解液界面形成ＳＥＩ膜引起的電阻［１４］和電荷轉(zhuǎn)移的

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于海藻酸鎂水性黏結(jié)劑的高性能硅基鋰離子電池[J]. 張毅,杜栓麗,程亞軍.  材料導(dǎo)報. 2016(10)
[2]生物模板法合成鋰離子電池電極材料研究進展[J]. 夏陽,方如意,施思,梁初,張俊,黃輝,陶新永,甘永平,張文魁.  材料導(dǎo)報. 2016(01)



本文編號：3088759