包覆型Si_C复合材料的制备及其性能研究_杜莉莉

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1、第17卷第2期电化学Vol．17No．22011年5月ELECTROCHEMISTRYMay2011文章编号:1006-3471(2011)02-0139-05包覆型Si/C复合材料的制备及其性能研究11*1112杜莉莉，庄全超，魏涛，崔永丽，孙智，孙世刚(1．中国矿业大学材料科学与工程学院锂离子电池实验室，江苏徐州221116;2．厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室，化学化工学院化学系，福建厦门361005)摘要:分别采用球磨法和高温热解法制备了Si/C复合材料．XRD、SEM、电化学阻抗谱、循环伏安

2、法和恒流充放电测试表征该Si/C复合材料的结构、形貌和电化学性能．结果表明，相比于球磨法，高温热解HDPE制备的Si/C复合材料颗粒形貌规则，碳的包覆较为均匀，导电性较好，阻抗较小．其首次嵌锂容量为4495mAh/g，首次库仑效率65．3%，从第2周开始库仑效率都保持在97%左右，经过100次充放电循环后仍能达到438mAh/g的可逆容量，具有较好的电化学循环稳定性．关键词:锂离子电池;硅;高温热解法中图分类号:TM912．9文献标识码:A现今，商业化锂离子电池负极材料均选用石于改善电极的导电性和缓冲充放电

3、过程中电极的墨类碳材料，由于结构限制，锂离子的嵌入和脱出体积变化．而且碳材料与硅的嵌锂电位相近，二者［5-7］量有限，其理论容量只有372mAh/g．较低的理论之复合于容量损失相对较小．此外，从制备工容量是制约锂离子电池未来发展的主要瓶颈之艺和成本考虑，Si/C复合材料具有较高的实用价一，因而急需寻求新一代的高比能负极材料．值．本研究分别采用球磨法和高温热解法制备了硅由于具有最高的理论储锂容量(4200mAh/弥散型的和包覆型的Si/C复合材料，探讨了不同g)、嵌脱锂电位低、价格低廉等优点而成为研究热制备方

4、法对其结构、形貌和电化学性能的影响．［1］点．但是，以纯硅材料作为锂离子电池负极材料1实验存在如下两个缺点:1)在高度嵌锂过程中会出现Si/C复合材料分别由球磨法和高温热解法制非常显著的体积膨胀(体积膨胀率＞300%)，由此备．1)高温热解法:将高密度聚乙烯(HDPE，中国产生的机械应力使电极材料在循环过程中逐渐粉石油东北化工销售公司)与硅粉(微米级)按8∶2化，合金结构被破坏，活性物质与集流体之间电接(bymass，下不另指出，均为质量比)与不锈钢球(1［2-3］触丧失，从而导致循环性能下降;2)由于相转

5、∶15)一起置于不锈钢球磨罐中，间歇球磨(转速变、表面悬空键及颗粒体积变化造成的电子传导450r/min，球磨周期30min，南京大学仪器)．球磨变差等原因，导致纯硅材料首次充放电时不可逆10h后，将物料从球磨罐中取出并移入密封管式［4］容量大，充放电效率较低．因而如何改善硅基材炉中，通入氩气保护，以5℃/min的速率升温到料的循环稳定性和提高其首次充放电效率，使之800℃，保温2h，自然冷却至室温．将冷却后的物趋于实用化成为该类材料的研究重点．料放入玛瑙研钵中磨碎，得到包覆型的Si/C复合将硅与高导电的弹

6、性材料相复合是改善其电材料．2)球磨法:将炭黑(中国石油东北化工销售化学性能的重要方法，最常见的是与碳材料复合．公司)与硅粉(微米级)按8∶2与不锈钢球(1∶碳是离子与电子的混合导体，不仅在充放电过程15)一起置于不锈钢球磨罐中，间歇球磨(转速450中体积变化小，而且具有良好延展性和弹性，有利r/min，球磨周期30min，南京大学仪器)．球磨24h收稿日期:2011-01-19，修订日期:2011-02-25*通讯作者，Tel:13605215324，E-mail:zhuangquanchao@126．c

7、om中央高校基本科研业务费专项资金(编号:2010LKHX03、2010QNB04、2010QNB05)，中国矿业大学科技攀登计划(编号:ON090237)项目资助·140·电化学2011年后，将物料从球磨罐中取出，即得弥散型的Si/C复合材料．所得样品的XRD测试使用D/MAX-3B型X射线衍射分析仪(日本Rigaku公司)，铜靶，Kα射线，扫描速率10°/min，扫描范围为20°～80°，工作电压40kV，工作电流100mA．样品的微观形貌由HitachiS2150型电子扫描显微镜观察．Si/C复合材料

8、电极由上述Si/C复合材料、炭黑(上海杉杉科技有限公司)和聚偏四氟乙烯(PVDF，KynarFLEXLBG，Elf-ctochem，USA)按4∶3∶3组成．电解液为1mol/L的LiPF6-EC(碳酸乙烯酯)∶DMC(碳酸二甲酯，张家港国泰华荣化工新材料公司)(1∶1，byVo1．)．图1高温热解法制备的Si/C复合材料的XRD图谱以金属锂片作对电极，充放电性能测试扣式Fig．1XRDpatternsofthe