石榴结构硅/碳复合锂离子电池负极材料制备与表征

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硅材料因为拥有超高的比容量、较低的充放电平台、安全性好且资源丰富,是下一代锂离子电池最有潜力的负极材料之一。但是,硅在脱/嵌锂过程中会产生严重的体积膨胀,容易造成电极粉化而使电池失效,且由于自身较差的导电性,导致其作为负极材料的应用受到严重的限制。本文以核壳结构硅/碳复合材料为研究对象,为了解决硅材料的体积膨胀和导电性问题,进一步开发出了一种具有多孔内核的石榴结构硅/碳复合材料(Si@Pore-C@C)。通过采用工业生产中常用的喷雾干燥(造粒)方法,并通过控制硅与有机物混合的体积比得到了具有不同硅与多孔碳体积比的硅/碳复合材料,并对其进行了电化学性能测试,研究了其储锂性能,然后通过添加导电剂、与石墨复合等方式对其电化学性能进行了优化,主要取得了以下成果:(1)提出了一种基于喷雾造粒制备石榴结构微球的方法,该方法可概括为“两步喷雾造粒、一步碳化成型”。利用内层碳源为高温处理后残碳率较低(约10%)的脲醛树脂,与外层残碳率较高(约55%)的酚醛树脂形成残碳差,经一次碳化后直接形成内部具有多孔碳内核而外层具有致密碳壳的单分散石榴结构微球。该方法步骤简单、生产规模大、效率高、成本低、内层多孔碳体积可控且无强酸强碱腐蚀剂,具有大规模工业化生产的潜力。(2)采用所述的喷雾造粒法,通过控制硅/有机碳源的比例,经喷雾造粒-高温碳化后,得到了具有不同硅/多孔碳体积比的Si@Pore-C@C复合材料,并研究了不同体积比对复合材料电化学性能的影响。研究表明,当硅/脲醛树脂体积比为1/6时,复合材料具有更好的储锂性能,在100 m A/g(约0.1 C)电流密度下,复合材料经50次充放电循环后仍具有88.3%的容量保持率。通过对硅的体积膨胀倍率进行预估,设计出较为充足的可膨胀孔隙,实现了微球的结构稳定。(3)为进一步提升复合材料的导电性与结构稳定性,提升其倍率充放电性能、循环性能,将碳纳米管(CNT)导电剂与不同比例的鳞片石墨(G)与复合材料进行了复合,制备出了Si@Pore-C/CNT@C与Si@Pore-C/CNT/G@C复合材料,并研究了其电化学性能。结果表明导电剂能够有效的提升复合材料的导电性与首次库伦效率,而鳞片石墨的再次复合能进一步提升复合材料的综合性能。其中,在0.1 C的电流密度下,Si@Pore-C/CNT/G15@C复合材料在50次充放电循环后具有高达95.6%的容量保持率,并且在经过97次较长循环后仍具有82.8%的容量保持率,循环寿命得到大幅提升。多组分的碳层结构有效的提升了复合材料的结构稳定性和导电性,加速了升锂离子在材料内部的扩散效率,提升了复合材料的储锂性能。
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