锂离子电池用多孔硅_石墨_碳复合负极材料的研究.pdf
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1、第1 l 期无机化学学报V0123N o 1 12 0 0 7 年1 1 月C H I N E S EJ O U R N A LO FI N O R G A N I C C H E M I S T R YN o v 2 0 0 7锂离子电池用多孔硅石墨l 碳复合负极材料的研究郑颖杨军+陶亮努丽燕娜王久林(上海变通大学化学化工学院,上海2 0 0 2 4 0)摘要:在两步高能球磨和酸蚀条件下制得了多孔硅,石墨复合材料并对其进行碳包覆制成多孔硅,石墨,碳复合材料。通过T E M S E M 等测试手段研究了多孔硅材料的结构。作为锂离子电池负极材料电化学测试结果表明多孔硅,石墨,碳复合材料相比纳米硅
2、,石墨,碳复合材料有更好的循环稳定性。同时改变复合体配比、热解碳前驱物、粘结剂种类和用量也会对材料的电化学性能产生较大的影响其中使用质量分数为1 0 的L A l 3 2 粘结剂的电极2 0 0 次循环以后充电容量保持在6 4 9 9m A h 9 4,几乎没有衰减。良好的电化学性能主要归因于主活性体一多孔硅颗粒中的纳米孔隙很好地抑制了嵌锂过程中自身的体积膨胀,而且亚微米石墨颗粒和碳的复合也减轻了电槛材料的体积效应并政善了其导电性。关键词:多孔硅;负极材料;锂离子电池;高能球磨中图分类号:T M 9 1 1;0 6 1 3 7 1:0 6 1 3 7 2文献标识码:A文章编号:1 0 0 1-
3、4 8 6 1(2 0 0 7)1 1 1 8 8 2 0 5S t u d yo fN a n o-p o r o u sS i G r a p h i t e CC o m p o s i t eA n o d eM a t e r i a l sf o rL i i o nB a t t e r i e sZ H E N GY i n gY A N GJ u n+T A OL i a n gN U L lY a h-N aW A N GJ i u-L i n(h o o lo f C h e m i s t r yw t dC h e m i c a lE n g i n e e r i
4、 n g,S h,f f m i 腼T o n gU n w e r s 咄鼬g 托2 0 0 2 4 0)A b s t r a c t:T h eH a l l O p o r o u sS i g r a p h i t ec o m p o s i t eW a Sp r e p a r e dv i at w o s t e pb a l l m i l l i n gf o l l o w e db ye t c h i n gp r o c e s s T h e nc a r b o nc o a t i n gw a si n t r o d u c e dt oo b t
5、a i no a n o p o r o u sS i g r a p h i t e C T h em i c r o s t r u c t u r eo ft h en a n o-p o r o u ss i l i c o nm a t e r i a lw a sc h a r a c t e r i z e db yS E Ma n dT E M T h er e s u l t sf r o me l e c t r o c h e m i c a lt e s tr e v e a lt h a tl l a n o-p o r o u sS i g r a p h i t
6、e Cc o m p o s i t ee x h i b i t sm u c hb e t t e rc y c l ep e r f o r m a n c et h a nn a n o s i z e dS i g r a p h i t e Cc o m p o s i t e O nt h eo t h e rh a n d i ti sf o u n dt h a ti n f l u e n c eo fc o m p o s i t i o n c a r b o i lp r e c u r s o r,b i n d e rt y p ea n dc o n t e n
7、 to nt h ee l e c t r o d ep e r f o r m a n c ei sr e m a r k a b l e,T h en a n o p o r o u sS i g r a p h i t e Cc o m p o s i t ee l e c t r o d ec o n t a i n i n gI A l3 2b i n d e r(1 0 w t)e x h i b i t sar e v e r s i b l ec a p a c i t yo f6 4 9 9m A h g a f t e r2 0 0c y c l e s,w i t ha
8、h n o s tU Oc a p a c i t yl o s s T h es u p e r i o re l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa r ea t t r i b u t e dt os u p p r e s s i o no ft h ev o l u m ee x p a n s i o nf o rl i t h i u mi n s e r t i o nv i an a n o s i z e dp o r e si nS ip a r t i c l e s,a n dt h ev o
9、 l u m e b u f f e r i n ga c t i o na sw e l la se x c e l l e n te l e c t r o n i ca n di o n i cc o n d u c t i v i t y0 fc a r b o nu m t c r i M s K e yw o r d s:l l a n o p o r o u sS i;m l o d em a t e r i a l;l i t h i u mi o nb a t t e r y;h i g h-e n e r g yb a l l-m i l l i n g目前商品化锂离子电池
10、负极采用石墨化碳f 如中间相碳微球M C M B 和C M s l 材料这类材料嵌脱锂过程中的体积膨胀基本在9 1-三l 下,表现出较高的库仑效率和优良的循环稳定性能。但是石墨电极本身较低的理论储锂容量使其很难再取得突破性进展因此研究人员一直在探索一种新型高比容量的电极材料来替代石墨化碳材料。负极材料研究中发现s i、s n、A l 等与“形成的合金类材料,其可逆储锂容量远远高于石墨类负极。而其中硅又由于具有最高的理论储锂容量(4 2 0 0m A h g-1)、嵌脱锂电位收稿日期:2 0 0 7 4)6 2 8。收修改稿日期:2 0 0 7 0 8-1 3。国家8 6 3 计划f 项目编号2
11、 0 0 6 A A 0 3 2 2 3 2)。通讯联系人。E-m a i l:y a o g j 7 2 3 s j t u e d uc o;T e h+8 6-2 1-5 4 7 4-7 6 6 7第一作者:郑颖2 4 岁,硬十研究生;研究方向:化学电源、电扳材料等。万方数据第1 1 期郑颖等:锂离子电池用多孔硅石墨磁复合负极材料的研究1 8 8 3低、价格低廉等优点而成为研究热点。但是纯硅材料在高度嵌锂过程中均存在非常显著的体积膨胀(体积膨胀率 3 0 0)1 一由此产生的机械应力使电极材料在循环过程中逐渐粉化。合金结构被破坏,活性物质与集流体之间电接触丧失从而导致循环性能下降。如何改
12、善硅基材料的循环稳定性,使之趋干实用化成为该类材料的研究重点。为了饵决锂合金嵌脱锂时结构不稳定的缺点改善硅基材料的循环性能研究人员采取了多种措施。减小活性体的颗粒尺寸是提高合金稳定性的途径之一M。纳米材料具有比表面积大、离子扩散路径短、蠕动性强以及塑性高等特点能够一定程度上缓解合金类材料的体积效应并且提高其电化学性能。另一个有效的方法就是制备成含硅的复合材料利用复合材料各组分间的协同效应达到优势互补的目的。譬如通过高能球磨方法将活性物质S i 均匀分散在T i N、T i C、S i C 等惰性基体中【9-l,通过高温热解制备高度分散的的硅碳复合材料【1 3-1 5 。本研究通过两步高能球磨和
13、酸蚀处理制备了多孔硅,石墨复合材料再对其进行碳包覆制成多孔硅,石墨碳复合材料通过T E M S E M 等测试手段研究多孔硅材料的结构并通过电化学性能测试研究多孔硅,石墨,碳复合材料作为负极材料的性能。1实验部分1 1 材料制备在充满氩气的手套箱中将1g 的氧化亚硅粉末(A r d f i c h,粒径小于4 4 m)、0 6g 铝粉(中国国药集团化学试剂有限公司7 4。1 4 9,t t m)混合均匀置于8 0m L 不锈钢球磨容器中容器内置有1 5 个1 0l l l l n的不锈钢小球用0 型圈密封然后移出手套操作箱,置于球磨仪k(P 一6,F r i t s c h,G e r m a
14、 n y)。调整球磨转速为4 0 0r m l n。每球磨3 0m i n 间歇5m l n 球磨时间为1 5h。将球磨产物和小颗粒人造石墨(A l d r i c h,1 2 m)在手套箱中密封,然后以4 5 0r m i n 一1 球磨2 0m i n。将二次球磨的产物加入2 5m o l L 一的过量2 0 的盐酸溶液中搅拌2h 后过滤去离子水清洗真空下1 2 0 烘干制得多孔硅石墨复合材料采用聚氯乙烯f l w C l 为热解碳的反应前驱物时。将P V C 缓慢地加人不断搅拌的四氢呋喃(T H F)中。使P V C 完全溶解形成一定粘度的溶液。采用聚丙烯J I 青(P A N)时选用丙
15、酮为溶剂。将多孔硅,石墨复合材料缓慢地加入上述溶液中同时搅拌并配合使用超声分散装置使粉末与溶液混合均匀。5h 后在不断搅拌的同时稍微加热挥发溶剂。将挥发溶剂后得到的混合物移入石英管反应装置中该装置内有惰性气氛作保护保护性气氛为不参与反应的氩气或混合气(5 氢气,其余氩气1。将石英反应装置转移到高温炉中根据实际情况以5 m i n“的升温速率进行升温使有机前驱热解碳化。采用P V C 的样品预定温度为9 0 0 采用P A N 的样品为8 0 0 反应时间2h 反应结束后反应体系自然降温,整个反应过程在惰性气氛中进行。反应结束即得复合材料将复合材料在玛瑙研钵中粉碎通过筛分得到所需粒径的复合材料粉
16、末(5 0 7 4t x m l 备用。1 2 仪器分析采用J E O LJ E M2 1 0 0 F 型透射电镜和H i t a c h iS2 1 5 0 型扫描电镜对材料进行定性分析。1 3 电化学性能测试将复合材料、导电剂乙炔黑、粘结剂P V D F(聚偏氟乙烯1 或L A l 3 2 型水性负极粘结剂f 有效成分为聚丙烯酸酸类三元共聚物胶乳)按照8 0:1 0:1 0f 或7 8:1 0:1 2、8 2:1 0:8)的质量比混合均匀+搅拌制成浆料。将浆料倒于水平放置的C u 箔上f C u 箔紧贴在玻璃板上1 用1 5 0I L m 的湿膜制备器进行涂膜。涂好的极片放人烘箱中,8 0
17、 烘干lh 烘干后取出成型、压片压力为1M P a。极片放入真空烘箱中干燥,温度为1 2 0 时间4h 以上。实验电池装配是在充满氩气的手套箱中进行。制备的复合材料作测试半电池的正极。以金属“片作测试半电池的负极1m o l L-1L i P F d E C:D M C(体积比1:1)为电解液,组装成C R 2 0 1 6 型扣式电池。实验电池的恒电流充放电性能测试采用武汉L a n d 电池测试系统f 量程为0 1 0m A),充放电电流密度为0 2m A c m 4 充放电截止电压为0 0 1 1 4V。2 结果与讨论2 1 表征采用扫描电镜观察粉末的颗粒状况。从图l(a)可以看出,多孔硅
18、颗粒分布在2。5 斗n。采用透射电镜考察颗粒的微观结构。图1 中,白色点代表多孔硅颗粒表面的纳米孔,孔径处于纳米级。依据氮气吸附的静态容量法测定了多孔硅的孔径分布。如图2所示孔径基本都在4 0n m 以下,而以1 4”m 居多。万方数据1 8 8 4无机化学学报第2 3 卷图1(a)多孔硅扫描电镜照片多孔硅透射电镜照片F i g 1(a)S E Mi m a g eo fn a n o-p o v o u ss i l i c o n,(b)T E Mi m a g eo fH a l l O-p o r o u ss i l i c o n图2 多孔硅孔径分布图F i g2B J Hp o
19、n es i z e d i s t r i b u t i o nf o rN P-S i2 2 电化学测试结果及分析图3 是硅质量分数均为2 3 左右而硅的种类和复合物组成不同的复合材料的循环性能比较。所有的样品都是采用相同的合成方法。可以看出硅、石墨和P V C 热解碳的比例为2:3:4 时采用多孔硅的样品的循环性能明显优于采刚纳米硅颗粒的样品。主要的原因是多孔硅颗粒中充满了纳米大小的孔图3 不同种类的硅和不同多孔硅石墨P V C 热解碳配比对电极的循环性能影响(1 0 P V D F 粘结剂lF i g 3I n f l u e n c eo fs i l i c o nt y p e
20、a n dc、o m p o s i t i o nO i lt h ec y c l ep e r f o r m n n e eo ft h en a n o-p 0 1 0 u$c o m p o s i t ew i t h1 0 P V D Fb i n d e r很好地抑制了充放电过程中硅的体积变化从而明显改善了电极的稳定性石墨添加量过高和过低的复合材料循环稳定性都较差硅、石墨和热解碳质量比为2:3:4 的复合材料循环稳定性最佳。按照我们对复合材料的设计热解碳相当于粘接剂将硅与石墨包覆粘结在一起。当石墨含量较少时由于缺乏富有掸性的石墨的缓冲复合材料的稳定性相对较差。当石墨比例高而热
21、解碳含量少时起包覆粘结作用的热解碳不足使热解碳区域在嵌锂过程巾承受硅很大的体积变化容易导致局部机械粉碎并可能与石墨颗粒脱开最终表现为循环性能的衰退。根据图3 硅含量为2 3 的复合材料中石墨添加量以3 3 为宜。石墨含量为3 3 的多孔硅石墨,碳复合材料首次充放电效率一般在6 3 6 9 之间不含石墨的多孔硅碳复合材料首次充电效率一般在5 5。6 0 之间也就是说加入3 3 的石墨可以减少复合材料的首次不可逆容量提高首次充放电效率。以上我们主要分析了复合材料中石墨的作用它能缓冲硅的体积变化有利于硅在碳中均匀分散从而提高复合材料的循环稳定性并在一定程度上减少复合材料的首次不可逆容量提高首次充放电
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