高容量硅-碳復(fù)合材料在鋰離子電池負(fù)極中的研究

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1、高容量硅/碳復(fù)合材料在鋰離子電池負(fù)極中的研究高容量硅/碳復(fù)合材料在鋰離子電池負(fù)極中的研究高容量硅/碳復(fù)合材料在鋰離子電池負(fù)極中的研究高容量硅/碳復(fù)合材料在鋰離子電池負(fù)極中的研究高容量硅/碳復(fù)合材料在鋰離子電池負(fù)極中的研究【摘要】鋰離子電池正得到越來越廣泛的應(yīng)用，已成為21世紀(jì)極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦突瘜W(xué)電源。目前，鋰離子電池廣泛采用的石墨類碳負(fù)極材料的理論儲鋰容量較低（石墨為372mah/g），因此開發(fā)新型高性能負(fù)極材料已成為當(dāng)前的研究熱點。本文采用高比容量的硅為主要活性體，采用體積效應(yīng)小、循環(huán)穩(wěn)定性好

2、的碳為載體，通過高溫?zé)峤庖约八疅岬确椒ㄖ苽淞诵滦偷墓?碳復(fù)合材料，并對其電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。復(fù)合材料電極電化學(xué)測試顯示，循環(huán)30次其可逆容量仍保持在600mah/g以上。優(yōu)異的電化學(xué)性能主要歸因于納米硅顆粒處于無定形碳基體中對其體積變化具有良好的緩沖作用及納米硅周圍的石墨類碳相對于導(dǎo)電性的改善?！娟P(guān)鍵詞】鋰離子電池；負(fù)極材料；硅/碳復(fù)合材料；高溫?zé)峤?；水熱?dāng)今社會，信息、能源和新材料在全球范圍內(nèi)成為重要的發(fā)展方向和支柱產(chǎn)業(yè)。在社會不斷進(jìn)步的同時，能源和環(huán)境問題已成為可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。伴隨著全球逐

3、漸減少的不可再生能源和日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，新能源的開發(fā)和應(yīng)用刻不容緩?；瘜W(xué)電源具有能量轉(zhuǎn)換效率高、能量密度高、無噪聲污染、可隨意組合，隨意移動等特點[1-3]。隨著電子和信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，移動通訊、數(shù)字處理機、便攜式計算機得到了廣泛應(yīng)用，空間技術(shù)的發(fā)展和國防裝備的需求以及電動汽車的研制和開發(fā)對化學(xué)電源特別是高能二次電池的需求迅速增長[4-11]。目前使用的二次電池主要有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。由于鋰離子電池具有開路電壓高、能量密度大、使用壽命長、無記憶效應(yīng)、無污染以及自放電率小

4、等優(yōu)點[12,13]，其應(yīng)用越來越廣泛。鋰離子電池負(fù)極材料方面，石墨類碳材料由于其良好的循環(huán)穩(wěn)定性，理想的充放電平臺和目前最高的性價比，仍是未來一段時間內(nèi)鋰離子電池的首選負(fù)極材料。但是碳材料的充放電比容量較低，體積比容量更是沒有優(yōu)勢，難以滿足電動車及混合電動車對電池高容量化的要求。因此開發(fā)具有高比容量、高充放電效率、長循環(huán)壽命的新型鋰離子電池負(fù)極材料極具迫切性。硅基材料因具有最高的理論嵌鋰容量(4200mah/g，遠(yuǎn)高于目前其它所有的負(fù)極材料)而越來越受矚目。硅基材料在高程度脫嵌鋰條件下，存在嚴(yán)重

5、的體積效應(yīng)，造成電極的循環(huán)穩(wěn)定性大幅度下降。針對硅的體積效率，將硅與具有彈性且性能穩(wěn)定的載體復(fù)合，緩沖硅的體積變化，將是提高硅類材料穩(wěn)定性的有效途徑。已經(jīng)成功應(yīng)用于鋰離子電池的碳類材料具有相對彈性的結(jié)構(gòu)，是良好的鋰離子和電子導(dǎo)體，本身具有一定的嵌鋰容量，其嵌脫鋰體積變化小，循環(huán)穩(wěn)定性好。如果將碳與硅能實現(xiàn)有效的復(fù)合，碳就能緩沖硅嵌脫鋰時的體積變化，使整體電極的體積變化控制在合理的范圍內(nèi)，在保持硅高容量的同時，提高其循環(huán)穩(wěn)定性。本文以分析純葡萄糖c6h12o6.h2o,碳黑(乙炔黑),無定形硅si等

6、為反應(yīng)原料,用水熱法和高溫?zé)峤夥ㄖ苽涔?碳復(fù)合材料;通過添加不同的添加劑和改良合成條件來控制顆粒的形貌、粒度及其分布，使其達(dá)到優(yōu)異的電化學(xué)性能;將不同的硅/碳復(fù)合材料組裝成紐扣電池,并對不同硅/碳復(fù)合材料的電化學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。1.實驗部分1.1實驗儀器電熱恒溫干燥箱dhg-9202（上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司）；超聲波清洗器kq-250b（昆山市超聲儀器有限公司）；分析天平auy120（島津有限公司）；磁力加熱攪拌器（江蘇金華儀器廠）;全纖維真空高溫管式爐gwg-1/1600型（東南大學(xué)自動化儀

7、表研究所）。掃描電子顯微鏡采用日本hitachi公司s-3400nii型號電鏡;藍(lán)電電池測試系統(tǒng)采用land深圳市六維科技有限公司szlandct2001c。1.2實驗材料無定形硅si（南京冠業(yè)化工有限公司）；葡萄糖c6h12o6.h2o（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；乙炔黑（阿法埃莎天津化學(xué)有限公司）；乙二醇（上海試劑赫維化工有限公司）；羧甲基纖維素cmc（上海晶純試劑有限公司）。1.3實驗方法1.3.1硅/碳復(fù)合材料(一)的制備將無定形硅和葡萄糖(分析純)按1:10的質(zhì)量比分別溶于一定量的去離子

8、水中，超聲振蕩2h。機械攪拌后，將無定形硅和葡萄糖溶液混合均勻后，于體積為30ml的反應(yīng)釜中，置于電熱恒溫干燥箱內(nèi),180度恒溫條件下水熱反應(yīng)15h以上。將水熱反應(yīng)后的無定形硅/葡萄糖樣品中的溶劑進(jìn)行蒸發(fā)，直到溶劑完全揮發(fā)。再將樣品移入管式爐中，在n2氣保護(hù)下,于650度恒溫條件下，保溫6h以上，自然冷卻至室溫。其中，n2氣流速為300ml/min，升溫速率為5度/min。將燒結(jié)后的產(chǎn)物用手研磨成粉末。得到的硅/碳復(fù)合材料標(biāo)為(一)樣品。1.3.2硅/碳復(fù)合材料(二)的制備將無定形