本文采用市售納米硅為硅源,以軟化點(diǎn)低、得碳率高、價(jià)格便宜的煤瀝青作為碳源,通過兩步包覆法制備了煤瀝青基硅/碳（Si/C/C）復(fù)合物,并研究其作為鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能。結(jié)果表明,所得復(fù)合物的粒徑在300～350 nm間,Si納米粒子被C包覆并相互連結(jié)成C-Si-C網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其中Si含量為27%的硅/碳復(fù)合物（Si/C/C-27%）作為鋰電池電極材料表現(xiàn)了良好的儲(chǔ)鋰性能。在0.1 A/g的小電流密度下,Si/C/C-27%的放電比容量為1281 mA·h/g;在3 A/g的大電流密度下,其放電比容量仍能保持在582 mA·h/g,表現(xiàn)了良好的倍率性能。Si/C/C-27%在2 A/g的電流密度下經(jīng)過100次的循環(huán)后其比容量保持率為76.61%,表現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。相比于煤瀝青基碳的一次包覆所得的硅/碳復(fù)合材料（Si/C）,Si/C/C有效提高了Si納米粒子的導(dǎo)電性并抑制了其在嵌鋰和脫鋰過程中的體積膨脹。本文提出的二次包覆的新方法為制備具有優(yōu)異電化學(xué)性能的鋰離子電池負(fù)極材料提供了新的研究思路。 

【文章來源】：應(yīng)用化學(xué). 2020,37(05)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

納米Si和Si/C-26%、Si/C-60%、Si/C-90%、Si/C/C-27%復(fù)合物的XRD圖(A),拉曼光譜圖(B)和熱重曲線圖(C)

圖2為Si和Si/C-X和Si/C/C-27%復(fù)合物的SEM和TEM圖譜。 如圖2A所示,可以清晰的觀察到所用原料Si顆粒呈均勻球形,直徑約為150 nm。 Si/C-X復(fù)合物的顆粒尺寸隨碳含量增加也有所增加,如圖2B、2C和2D所示,分別為200、220和250 nm,二次碳包覆的Si/C/C-27%樣品如圖2E所示,直徑為320 nm,說明煤瀝青含量增加使得硅碳復(fù)合物的碳層明顯增厚。 從圖2D和2E中可以看出,Si/C-26%和Si/C/C-27%復(fù)合物均有相互粘連的現(xiàn)象,但是Si/C-26%復(fù)合物的顆粒間結(jié)合的較為松散,而Si/C/C-27%復(fù)合物的顆粒間相互緊密粘連成團(tuán)簇狀。 為了進(jìn)一步分析所制備樣品的顆粒間粘連的松散程度,對(duì)其分別進(jìn)行了TEM表征,結(jié)果如圖2F和2G所示。 圖2F所示為Si/C-26%復(fù)合物的TEM圖,從圖中可以看出顆粒之間相互粘連,但呈現(xiàn)出松散的狀態(tài),顆粒間縫隙比較大,如圖中箭頭所示。 圖2G所示為Si/C/C-27%復(fù)合物的TEM圖,可以清晰地看出顆粒間結(jié)合緊密呈現(xiàn)出團(tuán)簇狀,即使經(jīng)過劇烈的超聲處理,Si/C/C-27%顆粒之間仍然相互粘連。 說明二次碳包覆促進(jìn)了顆粒間相互粘連的程度,該結(jié)構(gòu)的緊密度使得碳碳接觸更加充分而增強(qiáng)Si的導(dǎo)電性,同時(shí)雙層碳包覆更加有效地緩解了Si顆粒的體積膨脹,提高了Si/C/C復(fù)合物電極的整體電化學(xué)性能。2.3 Si/C-X、Si/C/C-27%復(fù)合物電化學(xué)性能

圖3C、3D和3E顯示了Si、Si/C-26%、Si/C-60%、Si/C-90%、Si/C/C-27%組成的扣式電池進(jìn)行電池測(cè)試的相關(guān)曲線。 圖3C所示為Si/C/C-27%電極在電流密度為0.1 A/g時(shí)的前5次充放電曲線圖,其中第1次的充電和放電容量分別為1247.12和1482.87 mA·h/g,初始庫倫效率達(dá)到84.1%,初始不可逆容量的損失可歸因于SEI膜的形成[30-32]。 此后,其庫侖效率可增加至約100%并且保持穩(wěn)定,說明具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性。 Si、Si/C-26%、Si/C-60%、Si/C-90%、Si/C/C-27%復(fù)合物在不同電流密度下的靜態(tài)充放電曲線如圖3D所示。 從圖3D可以看出,在低電流密度下(0.1、0.2和0.3 A/g),復(fù)合物的比容量與Si含量成正比,即Si含量越高,復(fù)合物的比容量越高。 但是隨著電流密度的增加,其規(guī)律有所改變。 在0.5～3 A/g范圍內(nèi)的同一電流密度下,比容量大小順序?yàn)镾i/C/C-27%>Si/C-26%>Si/C-60%>Si/C-90%>Si,說明表面包覆碳層可有效緩解Si的體積膨脹,從而改善其倍率性能。 Si/C/C-27%復(fù)合物表現(xiàn)出最優(yōu)異的倍率性能,當(dāng)電流密度為0.1、0.2、0.3、0.5、1、2和3 A/g,其放電容量分別為1281、1086、1006、846、697、617和582 mA·h/g。當(dāng)電流密度回到0.1 A/g時(shí),放電容量可恢復(fù)至1170 mA·h/g。 該復(fù)合物表現(xiàn)出高容量和較好的穩(wěn)定性,說明雙層碳包覆Si可提高電極的導(dǎo)電性,其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可有效緩解Si的體積膨脹。 在2 A/g的電流密度下,測(cè)試Si/C-26和Si/C/C-27樣品100次循環(huán)后的穩(wěn)定性,如圖3E所示,Si/C-26和Si/C/C-27比容量保持率分別為40.2%和76.61%,說明Si的二次碳包覆的復(fù)合物穩(wěn)定性優(yōu)于一次碳包覆的復(fù)合物。 綜上所述,二次碳包覆的Si/C/C-27%復(fù)合物的電極導(dǎo)電率、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,均高于一次碳包覆的Si/C-X復(fù)合物,且二次碳包覆的Si/C/C-27%復(fù)合物的電極相比于文獻(xiàn)報(bào)道的Si/C復(fù)合物具有優(yōu)異的倍率性能(表1所示)。表1 硅/碳復(fù)合物的倍率性能對(duì)比Table 1 Comparison of rate performance of silicon/carbon composites Composites Rate performance Ref. Current/ Capability/ Current/ Capability/ Current/ Capability/ (A·g-1) (mA·h·g-1) (A·g-1) (mA·h·g-1) (A·g-1) (mA·h·g-1) Si/C/C 0.1 1281 0.5 846 3 582 This work Si/C 0.1 750 0.5 300 2 110 [33] SiGC 0.1 817 0.5 756 2 458 [34] Si@CC 0.2 1290 1.6 590 3.2 475 [35] Si@C@SiO2/RGO 0.1 886 0.5 644 2 346 [36]

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3541717