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鋰離子電池硅碳復(fù)合負(fù)極材料的研究

發(fā)布時(shí)間：2021.04.14

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為了不斷提升新能源汽車(chē)的續(xù)航里程,近年來(lái)對(duì)鋰離子電池的能量密度要求越來(lái)越高.到2020年，我國(guó)對(duì)鋰離子電池電芯能量密度的期望值將達(dá)到350Wh/kg.由于現(xiàn)有的商用負(fù)極材料石墨難以滿足上述要求，因此,開(kāi)發(fā)新型高容量負(fù)極材料成為研究熱點(diǎn).硅的理論嵌鋰容量高達(dá)4200 mAh/g,且具有脫鋰電位低資源豐富、成本低和環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì),成為綜合性能最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦拓?fù)極材料。

硅材料雖然儲(chǔ)鋰容量較大,但鋰離子在嵌人硅過(guò)程中會(huì)引起體積膨脹(300%),易造成材料結(jié)構(gòu)的崩塌和活性物質(zhì)的脫落,使循環(huán)穩(wěn)定性大大下降.同時(shí),這種體積效應(yīng)也使電極表面難以形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜(SEI膜),導(dǎo)致不斷有硅裸露到電解液中.針對(duì)硅負(fù)極材料循環(huán)穩(wěn)定性的問(wèn)題,近年來(lái),研究人員將硅進(jìn)行納米化處理，即硅單質(zhì)材料體系的改性.通過(guò)制備各種納米硅材料來(lái)緩解硅嵌鋰產(chǎn)生的體積膨脹.研究表明,當(dāng)硅顆粒尺寸小于單個(gè)硅納米顆粒嵌鋰過(guò)程中的破碎臨界值,納米硅顆粒在參與電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程所產(chǎn)生的應(yīng)力能不足以使得電極表面生成裂紋，從而避免顆粒的破碎粉化.但是,納米硅的高活性表面則會(huì)使電極發(fā)生較多的副反應(yīng),造成較高的不可逆容量損失.因此,除了硅納米化改性技術(shù)外，還應(yīng)通過(guò)硅與碳材料的二元或多元復(fù)合來(lái)制備復(fù)合材料，即建立硅復(fù)合材料體系。

基本原理是利用第二相的機(jī)械性能和導(dǎo)電性來(lái)抑制硅的體積效應(yīng)和增強(qiáng)硅的導(dǎo)電性，減少電極副反應(yīng)的發(fā)生,并防止嵌脫鋰過(guò)程中納米顆粒的團(tuán)聚.李純莉[13]先采用酸浸蝕方法從鋁硅合金得到納米硅,然后將納米硅與石墨烯使用鳳谷回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行復(fù)合制得石墨烯/多孔硅復(fù)合負(fù)極材料.復(fù)合結(jié)構(gòu)中的石墨烯片或均勻分散在多孔納米硅顆粒間,或包裹著小尺寸的納米硅顆粒,有效改善了納米硅的導(dǎo)電性和減緩多孔硅結(jié)構(gòu)的衰變.用復(fù)合材料制成的電極在循環(huán)120周后，其放電比容量仍可達(dá)1843 mAh/g.Julien[14]利用激光化學(xué)沉積熱解法(LCVP)制備出包覆1 nm厚度碳層的納米非晶硅復(fù)合材料，經(jīng)充放電循環(huán)后,極片厚度從循環(huán)前的12.6 μm到嵌脫鋰300周后的14.9 μm,,體積膨脹率僅18%,表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能,所設(shè)計(jì)的核殼結(jié)構(gòu)保持了材料結(jié)構(gòu)和電極的穩(wěn)定性.Zhuangf15]以納米氧化鎂為造孔劑,將納米硅嵌人多孔碳中,制備的復(fù)合材料在循環(huán)40周后仍有1172 mAh/g的可逆容量，主要?dú)w功于多孔碳支架為納米硅提供充足的空間以緩沖硅的體積變化.綜上所述,采用硅納米化和復(fù)合化相結(jié)合的方法制備電化學(xué)性能優(yōu)異的硅碳復(fù)合材料是切實(shí)可行的。

本文以納米硅粉和瀝青為原料,通過(guò)噴霧干燥熱解法在納米硅顆粒表面包覆-~層無(wú)定形碳層制得Si@C復(fù)合物,將Si@C復(fù)合物和人造石墨顆粒混合可制得用于鋰離子動(dòng)力電池的Si@C/G復(fù)合負(fù)極材料.通過(guò)噴霧干燥熱解的方法制備核殼型Si@C復(fù)合物,將Si@C復(fù)合物和石墨混合制得Si@C/G復(fù)合材料,可作為鋰離子動(dòng)力電池的負(fù)極材料.當(dāng)Si@C/G復(fù)合材料中Si@C復(fù)合物和石墨的質(zhì)量比為15:85時(shí)，在100mA/g的恒電流下，首次放電比容量為695.4 mAh/g,首次庫(kù)侖效率為86. 1%.循環(huán)80周后容量仍有596. 6 mAh/g,容量保持率達(dá)到85.8%。