解析膠體模板法制備充電機充電鋰電池負極硅的方法
2017-8-9 9:10:27??????點擊：
【引言】
硅基材料由于其具有較高的容量和充電機充電鋰電池放電電位的優點，是作為高能量密度充電機充電鋰電池最有前景的候選材料。然而，硅在嵌鋰之后會產生巨大的體積膨脹（~300%），從而導致其結構破壞，形成連續不穩定的固體電解質界面（SEI），這極大地阻礙了硅基負極材料在實際充電機充電鋰電池中的應用。為了解決這些缺點，研究者對具有新型結構的硅基材料進行了大量的研究，包括納米結構的硅和硅/碳復合材料。然而，減小硅顆粒尺寸對性能的改善程度有限，硅表面暴露于電解液中仍會造成較低的庫倫效率和容量衰減。目前，碳包覆納米硅被認為是提高硅基負極電化學性能的最有效策略之一。一方面，碳殼提供了體積變化的空間；另一方面，碳殼表面形成穩定的SEI膜，有利于庫倫效率的提高和容量的保持。
【成果簡介】
近日，華東理工大學龍東輝教授和美國加州大學河濱分校郭居晨教授(共同通訊)以“Colloidal Synthesis of Silicon@Carbon Composite Materials for Lithium-Ion Batteries”為題在Angew. Chem. Int. Ed上發表文章報道了一種新型碳/硅復合材料。兩種不同的方法（硬模板法SiNPs@CPS和軟模板法SiNPs@CHD）得到的材料，由于納米硅顆粒在炭載體中的分散形式不同，將其作為充電機充電鋰電池負極材料，也表現出不同的性能。結果表明納米硅顆粒在炭殼層中更均勻的分散，其循環穩定性和倍率性能也更優異。基于實際應用的考慮，將其作為添加劑與天然石墨混合，所制備的Si/C負極可逆容量可達600 mAh g-1 (3.1 mg cm-2) 和450 mAh g-1 (4.5 mg cm-2)。
【圖文簡介】
一: 硬模板法制備的硅/碳復合材料SiNPs@CPS的形貌表征
(a) SiNPs@CPS的TEM圖像；
(b) SiNPs@CPS的暗場TEM圖像和EDX元素譜圖。
二：SiNPs@CPS的充電機充電鋰電池電化學性能研究
(a) SiNPs@CPS在不同電流密度下的循環曲線和庫倫效率曲線；
(b) SiNPs@CPS在0.1C電流密度下的充充電機鋰充電機充電鋰電池放電曲線。
三：軟模板法制備的硅/碳復合材料SiNPs@CHD的形貌表征
(a) SiNPs@CHD的TEM圖像；
(b) SiNPs@CHD的暗場TEM圖像和EDX元素譜圖
四：SiNPs@CHD的充電機充電鋰電池電化學性能研究
(a) SiNPs@CHD在不同電流密度下的充電機充電鋰電池循環曲線和庫倫效率曲線；
(b) SiNPs@CHD在0.1C電流密度下的充充電機鋰充電機充電鋰電池放電曲線。
五: SiNPs@CHD作為石墨負極添加劑的充電機充電鋰電池電化學性能研究
(a) SiNPs@CHD在CVD處理之后的SEM圖像；
(b) graphite-SiNPs@CHD電極的橫截面SEM圖片；
(c) graphite-SiNPs@CHD在250 mA g-1和500 mA g-1電流密度下的循環性能和庫倫效率曲線；
(d) graphite-SiNPs@CHD在250 mA g-1電流密度下的充充電機鋰充電機充電鋰電池放電曲線。
【小結】
該研究利用簡單的模板法成功的制備了具有核殼結構的碳/硅復合材料。經表面修飾過的納米硅顆粒均勻分散于模板劑中，有利于其在在碳殼層中很好的分散。當用為充電機充電鋰電池負極材料時，SiNPs@CHD由于具有特殊的結構表現出良好的循環穩定性和倍率性能。當用作石墨負極添加劑材料時，也大大提高了電極充電機鋰充電機充電鋰電池放電容量。這一工作表明該方法所制備硅基負極材料，在用作實際充電機充電鋰電池負極材料中表現出極大的實用前景。
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