硅碳复合电极材料制备及储锂性能

发布时间：2019-07-12 18:11

【摘要】：采用水热法以Zn Cl2为活化剂制备活化石墨烯纳米片(a-GNPs),并研究了工艺参数对其孔结构的影响。将表面包覆导电聚苯胺(PANI)的硅纳米粒子与a-GNPs以一定比例混合,经热解形成Si/p-PANI/a-GNPs复合材料用于锂离子电池负极。采用TEM对a-GNPs孔结构进行了表征;采用FTIR分析了PANI热解前后化学键的变化;采用SEM分析了电极结构和形貌;采用循环伏安、交流阻抗和恒流充放电等方法测量了硅复合电极的电化学性能。实验结果表明,Si/p-PANI/a-GNPs复合电极的储锂容量和稳定性有明显改善,400m A/g恒电流充放电循环50次后可逆比容量达到1093.4m A·h/g,比Si电极和Si/p-PANI电极分别提高了415.3%和112%。这主要归因于a-GNPs对电解质传输的促进作用以及电导的贡献。
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图片说明：择ZnCl2活化剂通过水热反应对GNPs进行活化，，分别研究了3组不同活化工艺参数，包括活化温度T（120℃、160℃、180℃）、时间t（0.5h、1h、3h）以及ZnCl2的含量m（ZnCl2与GNPs的质量比1∶1，3∶1，5∶1，简写为m=1，m=3，m=5），并将所制备的样品标记为T-t-m。根据实验结果，以a-GNPs样品160-1-3的孔结构为最佳。图2(a)和图2(b)分别是160-1-3样品的SEM和TEM图，由SEM图可见活化后的a-GNPs的样品形貌；由TEM图可见其孔径分布比较均匀，平均孔径约10nm。图2(c)是160-1-3a-GNPs样品在N2气氛中700℃灼烧2h图1GNPs的SEM图、TEM图和HRTEM图（内嵌图）后的TEM照片，可以看到除孔径略有增大（约15nm）外，孔结构没有明显变化。图3是其他活化条件下制备的a-GNPs的TEM图。由图3可见，过量的ZnCl2、过高的活化温度或过长的活化时间，会使孔径过大甚至不同程度地破坏GNPs的原有结构；而反之则会出现a-GNPs孔率低及孔径不均匀的情况。所以在本文以后各节的讨论中均为160-1-3样品。图4是160-1-3a-GNPs样品的氮气吸/脱附曲线，在相对压力0.4～0.9范围内有一个明显的回滞环，说明了样品中有大量的介孔存在。BET比表面积、孔容和平均孔径的测量结果分别为95.7m2/g、0.22cm3/g和13.64nm。2.2复合电极材料的物化性能Si、Si/p-PANI、a-GNPs和Si/p-PANI/a-GNPs复合材料的XRD谱图如图5(a)所示。3个样品的2θ在28.4°、47.4°、56.3°、69.1°和76.5°处的衍射峰分别对应晶体硅的（111）、（220）、（311）、（400）
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图片说明：第12期夏楠等：硅碳复合电极材料制备及储锂性能·4543·图2160-1-3a-GNPs样品的SEM图(a)、TEM图(b)和在N2气氛下热处理后的TEM图(c)图3不同条件下所制备的a-GNPsTEM图图4160-1-3a-GNPs样品的氮气吸/脱附曲线和（331）晶面；Si/p-PANI和Si/p-PANI/a-GNPs复合材料在23°附近均有个小的馒头峰，对应聚苯胺热解后的无定形碳结构；而Si/p-PANI/a-GNPs复合材料的XRD图中除了上述小的馒头峰外还可以看到在26.4°处有个小的衍射峰，与a-GNPs在此位置存在的衍射峰对应，为石墨（002）特征峰。图5(b)是热解前后复合材料的FTIR谱图，图中位于3445cm 1、1618cm 1和1217cm 1处的吸收峰分别对应N H伸缩振动、醌环C==C伸缩振动和C==N伸缩振动[14,19]。因为PANI的高温裂解碳化，位于1552cm 1处的苯环C==C伸缩振动峰和1390cm 1处的C—N伸缩振动峰不复存在。测得PANI经Li+电解液浸渍后制备的p-PANI的电导率为1.67S/cm。
【作者单位】：天津大学化工学院;航天精工股份有限公司;
【基金】：国家重点研发计划项目(2016YFB0100511)
【分类号】：TM912

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