锂离子电池Si/RGO@PANI三明治纳米结构负极材料的制备与电化学性能
发布时间：2022-01-13 13:40
以石墨烯和纳米硅颗粒为起始原料,苯胺为单体,植酸为掺杂剂,过硫酸铵为氧化剂（引发剂）,通过超声波的作用成功原位合成了具有三明治纳米结构的Si/RGO@PANI锂离子电池负极材料。石墨烯片层与导电聚苯胺与纳米硅颗粒构成的夹心结构可形成有效的导电网络,且具有优异的结构稳定性,能够有效缓解硅在嵌锂/脱锂过程中产生的巨大体积效应,表现出良好的循环性能和倍率性能。电化学性能测试表明,这种Si/RGO@PANI三明治纳米结构复合材料适合作为一种优良的锂离子电池负极材料。
【文章来源】：无机化学学报. 2017,33(03)北大核心SCICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
Si/RGO@PANI三明治结构纳米复合材料的制备过程示意图
烯的引入依次减弱。1329和1581cm-1附近出现的Raman峰分别对应石墨片层的D峰和G峰[19]。从图中可知，Si/RGO@PANI三明治纳米结构的构建使D峰和G峰的半峰宽宽化，并分裂成几个弱峰。此外，D峰和G峰的强度比(ID/IG)，也由原来RGO的0.89变为Si/RGO@PANI三明治结构复合材料的1.04。D峰和G峰的宽化和强度反转表明，聚苯胺包覆的纳米硅颗粒增大了石墨烯的缺陷和不规则性[20]。这是由于在超声波和氧化条件下，石墨烯被氧化，并通过大量的官能团与聚苯胺紧密键合形成坚固的Si/RGO@PANI三明治纳米结构。图2Si、RGO、Si@PANI复合材料和Si/RGO@PANI三明治结构复合材料的XRD图(a)和Raman光谱(b)Fig.2X-raydiffractionpatterns(a)andRamanspectra(b)ofSi,RGO,Si@PANInanocompositeandSi/RGO@PANIsandwich-likenanocomposite图3为Si、RGO和Si/RGO@PANI三明治结构复合材料的FE-SEM图片和TEM图片。纳米Si粒径约80nm(图3a)，从图3d可以看出该纳米Si颗粒为晶体结构，与其XRD图一致。图3b和3e的RGO为雹透明而卷曲的片层状态，这是石墨烯材料的典型特征，其二维的片层结构需要通过弯曲来维持其热力学稳定性[21]。图3c和3f显示了Si/RGO@PANI的三明治纳米结构。可以看到，纳米Si颗粒很好地镶嵌在石墨烯片层之间，说明本实验成功地制备出Si/RGO@PANI的三明治纳米结构复合材料。2.2材料的电化学测试结果及分析图4为Si/RGO@PANI三明治结构复合材料在电流密度为160mA·g-1的首次、第2次、第30次及第50次的充放电曲线和dQ/dV曲线。图中首次放电曲线出现了2个平台，在0.96V附近平台代表固体-电解质膜(SEI)的生成[22]，在接下来的放电曲线中379
，首次库仑效率(ICE)为58.6%，表现出较高的容量。首次不可逆容量的损失是由于纳米Si颗粒表面生成SEI膜造成的，此外，实验中形成的聚苯胺和RGO原料中含有大量的活性基团，也会大量消耗电解液中的Li，导致首次库仑效率偏低，这和Wang等的研究结果一致[10]。在经过前几次循环后，随着Si纳米颗粒的活化和SEI膜的稳定，Si/RGO@PANI三明治结构复合材料的充放电效率几乎达到100%，经过50次循环以后，容量几乎没有衰减。从图5a中还可看出，在前几次循环中，Si/RGO@PANI三明治结构复合材料和Si@PANI复合材料的电化学性能图3Si(a)、RGO(b)和Si/RGO@PANI三明治结构复合材料(c)的FE-SEM照片；Si(d)、RGO(e)和Si/RGO@PANI三明治结构复合材料(f)的TEM照片Fig.3FE-SEMimagesofSi(a),RGO(b)andSi/RGO@PANIsandwich-likenanocomposite(c);TEMimagesofSi(d),RGO(e)andSi/RGO@PANIsandwich-likenanocomposite(f)图4Si/RGO@PANI纳米复合材料在电流密度为160mA·g-1的充放电曲线(a)和dQ/dV曲线(b)Fig.4Charge-dischargeprofilesofSi/RGO@PANIsandwich-likenanocomposite(a)anddQ/dVprofilesofSi/RGO@PANInanocompositeatcurrentdensityof160mA·g-1(b)380
【参考文献】：
期刊论文
[1]中空分级结构Fe3O4@C/rGO复合材料的合成及其储锂性能[J]. 田海,钟艳君,吴振国,孔行健,杨秀山,郭孝东,王辛龙,钟本和. 无机化学学报. 2020(07)
[2]锂离子电池负极硅-热解碳-石墨复合材料的制备及性能（英文）[J]. 杨学兵,张林伟. 无机化学学报. 2019(03)
[3]柔性自支撑PDDA-Si/G纳米复合薄膜的制备及储锂性能[J]. 张亚婷,张凯博,贾凯丽,贺新福,刘国阳,王伟,张永玲,邱介山. 化工学报. 2019(03)
[4]镁热还原气相法白炭黑制备纳米硅及其电化学性能[J]. 王文广,许笑目,李斌,任晓,郭玉忠,黄瑞安. 无机化学学报. 2018(12)
[5]硅纳米粒子聚苯胺包覆改性及其嵌/脱锂电化学性能[J]. 杨昱霖,高铭,梁静爽,董星龙,曹国忠. 无机化学学报. 2017(12)
博士论文
[1]硅碳复合负极材料的制备及含硅全电池衰减行为研究[D]. 潘庆瑞.哈尔滨工业大学 2018
硕士论文
[1]纳米碳导电剂改善硅基负极材料性能的研究[D]. 李婷婷.江西理工大学 2020
[2]多孔硅/碳复合负极材料的制备及其电化学性能研究[D]. 陈煜.江西理工大学 2020
[3]NASICON型磷酸钛钠的结构设计及其储锂性能研究[D]. 姜臻.华北理工大学 2020
[4]锂离子电池硅基负极材料的改性及其性能研究[D]. 范慧林.太原科技大学 2019
[5]橄榄石型LiMPO4/C（M=Fe、Mn）正极材料的制备及性能研究[D]. 朱广双.河南师范大学 2018
[6]几种三元金属氧化物的形貌设计及电化学性能研究[D]. 任娜.中北大学 2018
本文编号：3586540
【文章来源】：无机化学学报. 2017,33(03)北大核心SCICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
Si/RGO@PANI三明治结构纳米复合材料的制备过程示意图
烯的引入依次减弱。1329和1581cm-1附近出现的Raman峰分别对应石墨片层的D峰和G峰[19]。从图中可知，Si/RGO@PANI三明治纳米结构的构建使D峰和G峰的半峰宽宽化，并分裂成几个弱峰。此外，D峰和G峰的强度比(ID/IG)，也由原来RGO的0.89变为Si/RGO@PANI三明治结构复合材料的1.04。D峰和G峰的宽化和强度反转表明，聚苯胺包覆的纳米硅颗粒增大了石墨烯的缺陷和不规则性[20]。这是由于在超声波和氧化条件下，石墨烯被氧化，并通过大量的官能团与聚苯胺紧密键合形成坚固的Si/RGO@PANI三明治纳米结构。图2Si、RGO、Si@PANI复合材料和Si/RGO@PANI三明治结构复合材料的XRD图(a)和Raman光谱(b)Fig.2X-raydiffractionpatterns(a)andRamanspectra(b)ofSi,RGO,Si@PANInanocompositeandSi/RGO@PANIsandwich-likenanocomposite图3为Si、RGO和Si/RGO@PANI三明治结构复合材料的FE-SEM图片和TEM图片。纳米Si粒径约80nm(图3a)，从图3d可以看出该纳米Si颗粒为晶体结构，与其XRD图一致。图3b和3e的RGO为雹透明而卷曲的片层状态，这是石墨烯材料的典型特征，其二维的片层结构需要通过弯曲来维持其热力学稳定性[21]。图3c和3f显示了Si/RGO@PANI的三明治纳米结构。可以看到，纳米Si颗粒很好地镶嵌在石墨烯片层之间，说明本实验成功地制备出Si/RGO@PANI的三明治纳米结构复合材料。2.2材料的电化学测试结果及分析图4为Si/RGO@PANI三明治结构复合材料在电流密度为160mA·g-1的首次、第2次、第30次及第50次的充放电曲线和dQ/dV曲线。图中首次放电曲线出现了2个平台，在0.96V附近平台代表固体-电解质膜(SEI)的生成[22]，在接下来的放电曲线中379
，首次库仑效率(ICE)为58.6%，表现出较高的容量。首次不可逆容量的损失是由于纳米Si颗粒表面生成SEI膜造成的，此外，实验中形成的聚苯胺和RGO原料中含有大量的活性基团，也会大量消耗电解液中的Li，导致首次库仑效率偏低，这和Wang等的研究结果一致[10]。在经过前几次循环后，随着Si纳米颗粒的活化和SEI膜的稳定，Si/RGO@PANI三明治结构复合材料的充放电效率几乎达到100%，经过50次循环以后，容量几乎没有衰减。从图5a中还可看出，在前几次循环中，Si/RGO@PANI三明治结构复合材料和Si@PANI复合材料的电化学性能图3Si(a)、RGO(b)和Si/RGO@PANI三明治结构复合材料(c)的FE-SEM照片；Si(d)、RGO(e)和Si/RGO@PANI三明治结构复合材料(f)的TEM照片Fig.3FE-SEMimagesofSi(a),RGO(b)andSi/RGO@PANIsandwich-likenanocomposite(c);TEMimagesofSi(d),RGO(e)andSi/RGO@PANIsandwich-likenanocomposite(f)图4Si/RGO@PANI纳米复合材料在电流密度为160mA·g-1的充放电曲线(a)和dQ/dV曲线(b)Fig.4Charge-dischargeprofilesofSi/RGO@PANIsandwich-likenanocomposite(a)anddQ/dVprofilesofSi/RGO@PANInanocompositeatcurrentdensityof160mA·g-1(b)380
【参考文献】：
期刊论文
[1]中空分级结构Fe3O4@C/rGO复合材料的合成及其储锂性能[J]. 田海,钟艳君,吴振国,孔行健,杨秀山,郭孝东,王辛龙,钟本和. 无机化学学报. 2020(07)
[2]锂离子电池负极硅-热解碳-石墨复合材料的制备及性能（英文）[J]. 杨学兵,张林伟. 无机化学学报. 2019(03)
[3]柔性自支撑PDDA-Si/G纳米复合薄膜的制备及储锂性能[J]. 张亚婷,张凯博,贾凯丽,贺新福,刘国阳,王伟,张永玲,邱介山. 化工学报. 2019(03)
[4]镁热还原气相法白炭黑制备纳米硅及其电化学性能[J]. 王文广,许笑目,李斌,任晓,郭玉忠,黄瑞安. 无机化学学报. 2018(12)
[5]硅纳米粒子聚苯胺包覆改性及其嵌/脱锂电化学性能[J]. 杨昱霖,高铭,梁静爽,董星龙,曹国忠. 无机化学学报. 2017(12)
博士论文
[1]硅碳复合负极材料的制备及含硅全电池衰减行为研究[D]. 潘庆瑞.哈尔滨工业大学 2018
硕士论文
[1]纳米碳导电剂改善硅基负极材料性能的研究[D]. 李婷婷.江西理工大学 2020
[2]多孔硅/碳复合负极材料的制备及其电化学性能研究[D]. 陈煜.江西理工大学 2020
[3]NASICON型磷酸钛钠的结构设计及其储锂性能研究[D]. 姜臻.华北理工大学 2020
[4]锂离子电池硅基负极材料的改性及其性能研究[D]. 范慧林.太原科技大学 2019
[5]橄榄石型LiMPO4/C（M=Fe、Mn）正极材料的制备及性能研究[D]. 朱广双.河南师范大学 2018
[6]几种三元金属氧化物的形貌设计及电化学性能研究[D]. 任娜.中北大学 2018
本文编号：3586540
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