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二次锂电池中高容量硅/碳复合负极材料的合成及电化学研究

王保峰  
【摘要】:从小型电子装置所需的微电池到大的电动车动力源,锂离子电池正得到越来越广泛的应用,已成为21世纪极具发展潜力的新型化学电源。锂离子电池性能的改善主要取决于嵌锂电极材料能量密度和循环寿命的提高。目前锂离子电池广泛采用的石墨类碳负极材料的理论储锂容量较低(石墨为372mAh/g),因此开发新型高性能负极材料已成为当前的研究热点。 本文采用高比容量的硅为主要活性体,采用体积效应小、循环稳定性好的碳为载体,通过高温热解以及高能球磨等方法制备了新型的硅/碳复合材料,并对其电化学性能进行了研究。 通过聚氯乙烯(PVC)的高温热解制备了一种新型的硅/碳复合材料,纳米硅和石墨微粒均匀地分散于热解炭中,电化学测试结果表明该材料具有很高的容量(700mAh/g)和较好的循环稳定性。这是由于复合材料中碳载体可以缓冲硅嵌锂过程中的体积变化,同时又为硅提供了良好的电接触。复合材料第一循环后的充放电平台比目前商品化的中间相碳微球(CMS)提高约0.15V,这有利于电池的操作安全性。复合材料中的晶体硅首次嵌脱锂后变为无定形态,并且在随后的嵌脱锂过程中该无定形态得以保持。复合材料中引入30%的小颗粒石墨有利于提高首次循环的充放电效率,减少充放电过程中的电压滞后。对不同有机前驱物所得热解炭的研究表明:热解炭的比表面积越小、结构越紧密,其复合材料的循环稳定性越好。另外,样品的颗粒度越大也越有利于电极循环性能和首次充放电效率的提高。因此,硅/碳复合材料的理想结构应是硅被完全地包覆于结构紧密的热解炭中。 采用高能球磨技术结合高温热解法制备了结构上为硅纳米晶均匀分散于碳中的复合材料。该复合材料具有很好的循环稳定性和改进的倍率性能。XRD分析表明,高能球磨可以得到纳米晶并有部分无定形化的硅,而二步球磨可以使硅与石墨紧密接触,同时又可以防止生成电化学惰性的炭化硅(SiC)。进而,通过PVC的高温热解包覆,大大降低了球磨材料的比表面积,从而减少首次循环的不可逆容量。


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