硅/铜/碳纳米杂化材料制备及锂电性能研究
发布时间：2021-03-18 18:47
以纳米硅粉为硅源,乙酸铜为铜纳米粒子前驱体,双官能团甲基丙烯酸酯单体为溶剂和碳源,利用热引发聚合方法,结合高温氩气气氛煅烧,原位可控合成硅/铜/碳纳米杂化材料,并通过后续不同气氛（空气或者空气结合氢气）、不同温度条件下热处理,进一步调控杂化材料中碳基质含量,达到改善单质硅负极材料循环性能、提高杂化材料导电性能的目的。采用粉末衍射（XRD）、能量弥散X射线谱图（EDX）、热重分析实验（TGA）、扫描电镜（SEM）、电化学阻抗测试（EIS）以及锂离子电池循环性能测试等方法对杂化材料的结构、结晶、组成、形貌、导电性能以及锂电循环性能进行了较为系统的研究。研究结果表明,单质硅以及单质铜均匀分布在碳基质中;单质铜的形成有效提高了杂化材料的导电性;后期热处理能够进一步调控碳基质含量,从而使得杂化材料初始放电比容量从1156mAh/g提高到1997mAh/g,而循环性能得到一定程度保持。
【文章来源】：材料导报. 2016,30(24)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１硅／碳以及硅／铜／碳纳米杂化材料的ＸＲＤ谱图
位置出现铜衍射峰，分别对应于单质铜（１１１）、（２００）和（２２０）晶面。另外，在４４．６°、４５°、６５°和８２°出现微弱Ｃｕ３Ｓｉ衍射峰。通过Ｄｅｂｙｅ－Ｓｃｈｅｒｒｅｒ公式估算，铜纳米粒子颗粒尺寸在２５ｎｍ左右。ＸＲＤ数据证明通过惰性气氛高温煅烧成功合成出单质铜。图１硅／碳以及硅／铜／碳纳米杂化材料的ＸＲＤ谱图Ｆｉｇ．１ＸＲＤｓｐｅｃｔｒａｏｆｔｈｅＳｉ／ＣｕａｎｄＳｉ／Ｃｕ／ＣｎａｎｏｈｙｂｒｉｄｓＳＥＭ图片（见图２）显示Ｓｉ／Ｃｕ／Ｃ杂化材料和Ｓｉ／Ｃ杂化材料形貌没有明显区别。颗粒尺寸大致都在几十纳米到一百多纳米之间，并且有不同程度团聚。因此，进一步采用ＥＤＸ研究了硅、铜纳米粒子在碳基质中的分布情况。如图３所示，杂化材料中硅、铜在碳基质中的分布都非常均匀。半定量数据表明，硅、铜原子比大约为５∶１。图２硅／碳（ａ）以及硅／铜／碳（ｂ）纳米杂化材料的ＳＥＭ图Ｆｉｇ．２ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｔｈｅＳｉ／Ｃ（ａ）ａｎｄＳｉ／Ｃｕ／Ｃ（ｂ）ｎａｎｏｈｙｂｒｉｄｓ热重分析（ＴＧＡ）表明Ｓｉ／Ｃ、Ｓｉ／Ｃｕ／Ｃ杂化材料中碳基质含量分别为５６％和４８％（见图４）。杂化材料中碳基质能够·１７硅／铜／碳纳米杂化材料制备及锂电性能研究／王梅梅等·
缓冲硅颗粒充放电过程中的体积膨胀，对于稳定材料结构有一定的帮助。图３硅／铜／碳纳米杂化材料的ＥＤＸ谱图Ｆｉｇ．３ＥＤＸｓｐｅｃｔｒａｏｆｔｈｅＳｉ／Ｃｕ／Ｃｎａｎｏｈｙｂｒｉｄ图４硅／碳以及硅／铜／纳米杂化材料的ＴＧＡ谱图Ｆｉｇ．４ＴＧＡｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅＳｉ／ＣａｎｄＳｉ／Ｃｕ／Ｃｎａｎｏｈｙｂｒｉｄｓ２．２硅／碳以及硅／铜／碳杂化材料电化学性能Ｓｉ／Ｃ以及Ｓｉ／Ｃｕ／Ｃ的锂电循环性能如图５所示。循环性能测试条件为：０．２Ｃ（２００ｍＡ／ｇ）电流密度下循环５０次，电压变化范围０．００５～３Ｖ。Ｓｉ／Ｃ杂化材料首次充放电容量分别为１０７１ｍＡｈ／ｇ、１３６７ｍＡｈ／ｇ；而Ｓｉ／Ｃｕ／Ｃ杂化材料首次充放电容量分别为８５１ｍＡｈ／ｇ、１１５６ｍＡｈ／ｇ。从首次充放电比容量来看，在杂化材料中引入单质铜，杂化材料容量有所降低。这是由于杂化材料中不具备锂电活性的单质铜，降低了硅的质量分数，从而损失了部分容量。５０次循环之后，硅／碳充放电比容量分别为５３５ｍＡｈ／ｇ、５５０ｍＡｈ／ｇ；而硅／铜／碳充放电比容量分别为３４７ｍＡｈ／ｇ、３５４ｍＡｈ／ｇ。从循环性能来看，Ｓｉ／Ｃｕ／Ｃ杂化材料循环性能相比Ｓｉ／Ｃ杂化材料没有明显改善。这可能是由于杂化材料中单质铜含量较低，不能形成连续基质，没有有效缓冲体积膨胀。图６为电池经过３次充放电循环之后的交流阻抗谱图。图６中高频区和中频区分别有两个半圆弧，分别代表在活性物质与电解液界面形成ＳＥＩ膜引起的电阻［１４］和电荷转移的
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于海藻酸镁水性黏结剂的高性能硅基锂离子电池[J]. 张毅,杜栓丽,程亚军. 材料导报. 2016(10)
[2]生物模板法合成锂离子电池电极材料研究进展[J]. 夏阳,方如意,施思,梁初,张俊,黄辉,陶新永,甘永平,张文魁. 材料导报. 2016(01)
本文编号：3088759
【文章来源】：材料导报. 2016,30(24)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１硅／碳以及硅／铜／碳纳米杂化材料的ＸＲＤ谱图
位置出现铜衍射峰，分别对应于单质铜（１１１）、（２００）和（２２０）晶面。另外，在４４．６°、４５°、６５°和８２°出现微弱Ｃｕ３Ｓｉ衍射峰。通过Ｄｅｂｙｅ－Ｓｃｈｅｒｒｅｒ公式估算，铜纳米粒子颗粒尺寸在２５ｎｍ左右。ＸＲＤ数据证明通过惰性气氛高温煅烧成功合成出单质铜。图１硅／碳以及硅／铜／碳纳米杂化材料的ＸＲＤ谱图Ｆｉｇ．１ＸＲＤｓｐｅｃｔｒａｏｆｔｈｅＳｉ／ＣｕａｎｄＳｉ／Ｃｕ／ＣｎａｎｏｈｙｂｒｉｄｓＳＥＭ图片（见图２）显示Ｓｉ／Ｃｕ／Ｃ杂化材料和Ｓｉ／Ｃ杂化材料形貌没有明显区别。颗粒尺寸大致都在几十纳米到一百多纳米之间，并且有不同程度团聚。因此，进一步采用ＥＤＸ研究了硅、铜纳米粒子在碳基质中的分布情况。如图３所示，杂化材料中硅、铜在碳基质中的分布都非常均匀。半定量数据表明，硅、铜原子比大约为５∶１。图２硅／碳（ａ）以及硅／铜／碳（ｂ）纳米杂化材料的ＳＥＭ图Ｆｉｇ．２ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｔｈｅＳｉ／Ｃ（ａ）ａｎｄＳｉ／Ｃｕ／Ｃ（ｂ）ｎａｎｏｈｙｂｒｉｄｓ热重分析（ＴＧＡ）表明Ｓｉ／Ｃ、Ｓｉ／Ｃｕ／Ｃ杂化材料中碳基质含量分别为５６％和４８％（见图４）。杂化材料中碳基质能够·１７硅／铜／碳纳米杂化材料制备及锂电性能研究／王梅梅等·
缓冲硅颗粒充放电过程中的体积膨胀，对于稳定材料结构有一定的帮助。图３硅／铜／碳纳米杂化材料的ＥＤＸ谱图Ｆｉｇ．３ＥＤＸｓｐｅｃｔｒａｏｆｔｈｅＳｉ／Ｃｕ／Ｃｎａｎｏｈｙｂｒｉｄ图４硅／碳以及硅／铜／纳米杂化材料的ＴＧＡ谱图Ｆｉｇ．４ＴＧＡｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅＳｉ／ＣａｎｄＳｉ／Ｃｕ／Ｃｎａｎｏｈｙｂｒｉｄｓ２．２硅／碳以及硅／铜／碳杂化材料电化学性能Ｓｉ／Ｃ以及Ｓｉ／Ｃｕ／Ｃ的锂电循环性能如图５所示。循环性能测试条件为：０．２Ｃ（２００ｍＡ／ｇ）电流密度下循环５０次，电压变化范围０．００５～３Ｖ。Ｓｉ／Ｃ杂化材料首次充放电容量分别为１０７１ｍＡｈ／ｇ、１３６７ｍＡｈ／ｇ；而Ｓｉ／Ｃｕ／Ｃ杂化材料首次充放电容量分别为８５１ｍＡｈ／ｇ、１１５６ｍＡｈ／ｇ。从首次充放电比容量来看，在杂化材料中引入单质铜，杂化材料容量有所降低。这是由于杂化材料中不具备锂电活性的单质铜，降低了硅的质量分数，从而损失了部分容量。５０次循环之后，硅／碳充放电比容量分别为５３５ｍＡｈ／ｇ、５５０ｍＡｈ／ｇ；而硅／铜／碳充放电比容量分别为３４７ｍＡｈ／ｇ、３５４ｍＡｈ／ｇ。从循环性能来看，Ｓｉ／Ｃｕ／Ｃ杂化材料循环性能相比Ｓｉ／Ｃ杂化材料没有明显改善。这可能是由于杂化材料中单质铜含量较低，不能形成连续基质，没有有效缓冲体积膨胀。图６为电池经过３次充放电循环之后的交流阻抗谱图。图６中高频区和中频区分别有两个半圆弧，分别代表在活性物质与电解液界面形成ＳＥＩ膜引起的电阻［１４］和电荷转移的
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于海藻酸镁水性黏结剂的高性能硅基锂离子电池[J]. 张毅,杜栓丽,程亚军. 材料导报. 2016(10)
[2]生物模板法合成锂离子电池电极材料研究进展[J]. 夏阳,方如意,施思,梁初,张俊,黄辉,陶新永,甘永平,张文魁. 材料导报. 2016(01)
本文编号：3088759
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