Li-Si-(Zr,V)三元系相关系的实验测定与热力学计算

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硅的理论容量高达4200mAh/g,是已知材料中理论容量最高的元素,而且硅是地壳中含量第二丰富的元素。因此,硅基材料作为锂离子电池负极材料而言,不但具有可观的发展潜力,而且资源相对丰富。但在脱嵌锂离子的过程中,硅的体积会发生剧烈变化,导致负极结构坍塌,引起电容量与循环性能的急剧下降。将硅与对锂惰性的金属进行复合可改善硅基负极材料的力学性能,有效缓冲锂离子嵌入与脱出引起的体积变化。其中,Si-(Zr,V)二元合金作为硅基负极复合材料均有较好的导电与循环性能。为了进一步研究Si-(Zr,V)合金作为锂离子电池负极材料在嵌脱锂离子反应过程中可能生成的化合物与可能存在的亚稳态平衡反应,需要对Li-Si-(Zr,V)三元体系进行热力学研究。本文通过采用平衡合金法,结合扫描电镜与X射线衍射等检测手段对Li-Si-Zr三元系470K等温截面进行了修正,实验结果表明Li-Si-Zr三元系470K等温截面含有的三相区应包括: Zr5Si4+ZrSi+Zr4Li1.38Si4三相区,ZrSi2+ZrSi+Zr4Li1.38Si4三相区和(Si)+ZrSi2+ZrLiSi三相区。即该等温截面富硅成分区域应由ZrLiSi+(Si)+ZrSi2三相区与(Si)+Li12Si7+ZrLiSi三相区组成,而非文献所报道的(Si)+Li12Si7+ZrSi2三相区。在系统整理了Li-Si-(Zr,V)体系的实验信息和热力学数据基础上,本文对缺乏热力学评估的二元体系Li-Zr、Li-V利用Thermo-Calc软件进行优化计算,获得了合理的热力学参数并将其用于外推到三元系中。结合本文的实验结果与文献中的相关体系的相平衡信息,本工作选择合适的热力学模型、采用CALPHAD方法热力学优化评估了Li-Si-(Zr,V)三元系,计算了Li-Si-Zr三元系470K等温截面、670K等温截面、870K等温截面、液相投影面与Li-Si-V三元系570K等温截面与870K等温截面,获得一套合理、自洽的热力学参数,为Si-(Zr,V)二元合金的锂离子嵌脱反应提供了热力学上的参考依据。
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