有望取代石墨的硅基材料在锂电池行业的前景展望
,而且它的空腔对于硅体积膨胀有容纳作用,可实现硅核更加自由的膨胀收缩,从而保证材料在充放电过程中整体结构的稳定性,有利于产生稳定的固态电解质(SEI)膜。
Zhou等采用溶胶-凝胶法在硅纳米颗粒表面包覆一层SiO2壳层,以蔗糖为碳源进行热解碳包覆,将SiO2用HF刻蚀后得到蛋黄-壳结构复合材料(SiC),其中活性物质硅的质量分数为28.54%。相比于硅纳米颗粒和空心碳,SiC具有更好的循环稳定性,首次比容量为813.9mA˙h/g,循环40次后容量保持在500mA˙h/g。
Tao等采用相似的方法也制备出稳定的SiC复合材料,循环100次后的比容量为780mA˙h/g。碳负载量的优化发现,复合材料中碳负载量为63%时的比容量(780mA˙h/g)高于碳负载量为72%时的比容量(690mA˙h/g)。这表明要实现SiC复合材料的最大容量,还需要对蛋黄-壳结构进行深入的优化设计。
Liu等以聚多巴胺为碳源合成出蛋黄-壳复合材料(SiC)。在该结构中,硅内核和薄碳层之间预留了充足的空间,使硅在锂化膨胀时不破坏碳壳层,从而使复合材料表面能形成稳定的SEI膜。
这种Si@void@C在0.1C电流密度下,可逆容量高达2800mA˙h/g,循环1000次后有74%的容量保持@C)。
该材料展现出优异的循环稳定性,在460mA/g电流密度下循环430次后,容量保持在956mA˙h/g,容量保持率高达83%,而Si@C核壳材料在相同测试条件下,前10次循环容量衰减明显,循环430次后容量不足200mA˙h/g。
在此复合结构中,碳层能够提高导电性,SiO2层增加了材料稳定性,空腔为硅内核的膨胀提供了缓冲空间。同时,SiO2和碳双壳层阻隔了电解液和硅纳米颗粒,防止硅纳米颗粒与电解质发生不可逆反应,起到了了双层保障作用。
1.1.3多孔型
多孔硅常用模板法来制备,硅内部空隙可以为锂硅合金化过程中的体积膨胀预留缓冲空间,缓解材料内部机械应力。由多孔硅形成的硅碳复合材料,在循环过程中具有更加稳定的结构。
研究表明,在多孔型硅/碳复合材料中,均匀分布在硅颗粒周围的孔道结构能够提供快速的离子传输通道,且较大的比表面积增加了材料反应活性,从而展现出优良的倍率性能,在电池快充性能方面具有显著优势。
Li等通过可控还原二氧化硅气凝胶的方法,合成出3D连通的多孔硅碳复合材料,该材料在200mA/g电流密度下循环200次时容量保持在1552mA˙h/g,且在2000mA/g大电流充放电下循环50次后仍保持1057mA˙h/g的比容量。
Bang等通过电偶置换反应,将Ag颗粒沉积于硅粉(粒径10μm)表面,经刻蚀除去Ag后得到具有3D孔结构的块状硅,再通过乙炔热解进行碳包覆,制备出多孔型硅碳复合材料,在0.1C倍率下具有2390mA˙h/g的初始容量以及94.4%的首次Coulomb效率;在5C倍率时的容量仍可达到0.1C倍率时容量的92%,展现出优异的倍率性能。此外,该电极循环50次后厚度从18μm变为25μm,体积膨胀仅为39%;同时,该材料的体积比容量接近2830mA˙h/cm3,是商业化石墨电极的5倍(600mA˙h/cm3)。
Yi等将微米级SiO2粉末在950℃高温处理5h,得Si/SiO2混合物,HF酸刻蚀除去SiO2后,得到由粒径为10nm的硅一次粒子堆积组成的多孔硅。然后,以乙炔为碳源,在620℃热解20min,对多孔硅进行碳包覆,制得多孔硅碳复合材料。该材料在1A/g电流密度下循环200次后容量保持在1459mA˙h/g,远高于纯硅;在12.8A/g高电流密度下的比容量仍可达到700mA˙h/g,表现出优异的倍率性能。此外,该材料振实密度大(0.78g/cm3),体积比容量高,在400mA/g电流密度下充放电循环50次,容量保持在1326mA˙h/cm3。
进一步研究发现,通过调节反应温度对硅一次粒子粒径进行优化,其中一次粒子为15nm时多孔硅碳复合材料性能最优,在400mA/g电流密度下循环100次后容量可达1800mA˙h/cm3,远高于一次粒子粒径为30nm和80nm的复合材料。这主要是由于硅一次粒子粒径越小,脱嵌锂时体积变化越小,因而能够形成更为稳定的SEI膜。
另外,对碳化温度和时间进一步优化发现,碳化温度800℃、碳负载质量分数20%时的多孔硅/碳复合材料性能最佳,在1.2A/g电流密度下循环600次后的容量保持在1200mA˙h/g,几乎无容量损失,且Coulomb效率高达99.5%。
该多孔硅碳复合材料合成工艺成本低,易于规模化生产。
近来,Lu等设计并合成了一种特殊结构的碳包覆多孔硅材料(nC–pSiMPs),其中,多孔微米硅(pSiMPs)由一次硅纳米颗粒堆积而成,其内部硅纳米颗粒表面无碳包覆层,碳层仅涂覆于微米多孔硅外表面。
该材料是以商业化SiO微粒为原料,以间苯二酚–甲醛树脂为碳源,在Ar气
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