论文部分内容阅读
硅材料由于具有高的理论比容量、低的电位平台、储量丰富和环境友好等优点,被认为是最有前景的锂离子电池负极材料之一。但是,硅材料较低的电导率和嵌锂过程中巨大的体积膨胀导致颗粒粉碎,严重制约了硅负极材料的商业化应用。本文从纳米硅入手通过喷雾干燥-高温热解工艺制备了Si/C复合材料。运用XRD、SEM、TEM、恒流充放电和交流阻抗法等手段对Si/C复合材料的结构、形貌和电化学性能进行表征,探索了碳源、热解温度、碳源添加量、石墨含量等因素,以及碳纳米管添加对Si/C复合材料性能的影响。首先,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为碳源,采用喷雾干燥-高温热解工艺制备了Si@CG复合材料,确定了碳源的最佳热解温度为600℃,在此温度下制备的复合材料以100mA/g充放电,首次放电比容量为953.5mAh/g,首次库伦效率为85.3%,循环50周后容量保持为87.2%。石墨(Graphite)和PVP添加量对复合材料性能的影响结果表明,当硅、PVP和石墨质量比为1:1.5:3.5时,复合材料电化学性能最佳,以100 mA/g电流密度充放电,复合材料的首次库伦效率提高到86.3%,首次放电比容量为884.5mAh/g,经100周循环后,容量保持率为80.2%。其次,以沥青为碳源制备了Si@C复合材料,当热解温度为1050℃时,Si@C复合材料的电化学性能最佳,以100 mA/g电流密度充放电,首次库伦效率为86.1%,首次放电比容量为1706.4mAh/g,经80周循环后,容量保持率46.7%。然后将Si@C与石墨混合制备了Si@C-G复合材料,石墨的添加改善了复合材料的循环性能。Si@C与石墨质量比为15:85时,Si@C-G复合材料的综合电化学性能最佳。以100 mA/g电流密度充放电,首次库伦效率为86.9%,首次放电比容量为695.4 mAh/g,循环100周后容量为565.1mAh/g,容量保持率为89.8%。最后,以丁苯橡胶为碳源制备了Si@C-2复合材料,80周循环后容量为1361.6mAh/g,容量保持率为51.7%,循环稳定性明显优于以沥青为碳源制备的Si@C-1复合材料。在Si@C复合材料中引入了碳纳米管(CNTs),当CNTs添加量为8%时,制备的Si/CNTs@C复合材料具有最佳的电化学性能,首次库伦效率为79.9%,首次放电比容量为3077.8mAh/g,在200mA/g电流密度下充放电,100周循环后放电比容量为1410.7 mAh/g,容量保持率为63.8%。同时,复合材料也表现出优异的倍率性能,在500mA/g和1000mA/g电流密度下充放电,放电比容量分别为1463.8mAh/g和1165.7mAh/g。