62 锂离子电池 SiC复合材料的研究 (第十五届全国电化学会议-锂电专场论文集)

锂离子电池 Si/C 复合材料的研究
顾鹏，蔡锐，邵宗平* (材料化学工程国家重点实验室，南京工业大学化学化工学院，江苏，南京，210009, E-mail: shaozp@njut.edu.cn)
在高温下，硅与锂可形成一系列的合金，当形成 Li4.4Si 时，其理论容量达到 4200mAh/g，是目 前发现的具有最高储锂容量的负极材料。首次放电时，晶态的硅转变成非晶硅，在随后的循环中， 硅一直保持非晶态的结构。但是在充放电过程中，随着锂的嵌入和脱出，硅存在着巨大的体积变化， 导致材料的结构崩塌以及活性物质从集流体上剥落[1]，从而导致循环性能的急剧下降。 为了提高材料的循环性能，目前人们采用的途径主要有：⑴减小活性颗粒尺寸，使其达到纳米 级。利用其比表面积大的特点，在一定程度上提高硅负极的循环稳定性。⑵制备硅基复合材料。利 用复合材料各组分间的协同效应，达到优势互补的目的。⑶制备硅基合金。通过形成合金矩阵，缓 冲硅在充放电过程中的体积变化。 本实验以柠檬酸作为碳源， 通过高能球磨法以及高温固相法将硅颗粒均一地分散于碳的矩阵中， 制备 Si/C 复合材料。材料制备方法简单，原料便宜易得。实验采用 X 射线衍射（XRD） 、扫描电镜 （SEM） 、拉曼光谱（Raman） 、比表面积(BET02)等对材料的结构和形貌进行了表征，同时通过恒流 充放电对材料进行电化学测试，电化学测试在恒定电流密度为 0.15mA/cm2，电压范围为 0.02～1.5V 条件下进行。 实验结果表明， 当球磨时间为 5h， 焙烧温度为 600℃时， 首次放电容量达到 1561.6mAh/g， 30 次循环后容量保持在 626.7mAh/g。循环性能的提高主要是由于硅均一地分散于碳的矩阵中，碳有 效地缓冲了在充放电过程中的硅的体积变化。
Peng Gu, Rui Cai, Zongping Shao* State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering, College of Chemistry & Chemical Engineering, Nanjing University of Technology, No.5 Xin Mofan Road, Nanjing 210009, P.R. China
参考文献
[1] J. H. Ryu, J. W. Kim, Y. E. Sung, S. M. Oh, Electrochem Solid-State Lett. 2004, A306.
Silicon/carbon composite as anode electrode materials for lithium ion batteries
3.0 2.5 2.0
1800 1.2 1.0
discharge capacity/ mAh/g
2nd cycle 1st cycle
1500 1200 900 600 300 0

0.8
voltage/V
1.5 1.0 0.5 0.0

efficient/ %
0.6 0.4 0.2 0.0
0
300
600
900
1200
1500
1800
0
5
10
15
20
25
30
capacity/mAh/g
cycle number
图 1 球磨 5h，600℃下制备 Si/C 首 次充放电曲线
Fig.1. the discharge/charge profiles of Si/C composite after 5h milling and after thermal treatment at 600℃
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图 2 球磨 5h，600℃下制备 Si/C 的循 环性能曲线和库仑效率
Fig.1. discharge capacity and columbic efficiency of Si/C composite after 5h milling and after thermal treatment at 600℃