功率对热等离子法制备纳米SiO的影响及其锂电池性能测试
发布时间：2021-04-01 09:39
利用热等离子发生器,分别在功率为13.2、14.3和15.4kW时制得了比表面积为84.16、126.26、172.02m2/g的纳米SiO颗粒,与原始SiO颗粒比表面积1.95m2/g相比,产物比表面积随等离子体功率升高而增大。TEM结果表明制备出的纳米SiO颗粒形貌为近球形,且随等离子体功率升高,得到的粒径越小分布越均匀。分别以3种功率制备纳米SiO为负极活性材料测试锂电池性能,首次放电容量分别为1 732、1 771、1 924mA·h/g,50次循环后其容量保持在313、316、395mA·h/g;而原始SiO颗粒首次放电容量约为1 291mA·h/g,50次循环后,容量保持在75mA·h/g,表明利用热等离子法制备的纳米SiO的电化学性能得到了极大的提升。
【文章来源】：有色金属工程. 2020,10(07)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
热等离子体冶金反应装置
图7 SiO颗粒的充电循环容量比较图本研究综合考虑SiO原料完全气化所需能量和设备极限，在13.0～16.0kW区间范围选取三个实验点，并发现电池比容量随功率提升而升高。但可以推测，当功率提升到一定值后对应的电池比容量有降低的可能性，即存在最优功率值。更高的功率意味着气化区更高的温度，以及冷却（形核）区更大的温度梯度，进而气相SiO冷却至液相并形核的趋势更强。SiO冷却过程中在一定温度条件下歧化反应得到Si与SiO2对电池性能的提升也存在最佳值，过大比例的Si虽然可提高首次电池容量，但体积变化问题会降低电池循环稳定性；另外，歧化反应产生的SiO2为电池惰性组分，且消耗电解液生成锂的氧化物与硅酸盐而造成首次库伦效率的降低等问题。
图2为SiO产品的XPS谱图，谱图出现了四个特征峰，电子结合能从高到低依次是O(1s),C(1s),Si(2s）和Si(2p）。硅的氧化情况可通过对Si(2p）特征峰进行分峰拟合分析得知（见图3）。从图3中可以看出，Si(2p）峰值分别由位于约99.40和103.18eV的Si—Si和Si—O—Si两个峰组成[13]，其中在101.86eV位置分出来一个峰，据文献记载纯SiO的Si(2p）峰出现在101.8eV位置[14]。从Si(2p）的拟合峰可知，由于在其表面存在天然SiO2氧化层[15]，检测到对应于Si 4+的103eV附近的宽峰，而Si的存在可能与SiO的歧化反应有关[16]，将对提高锂离子电池容量有促进作用。SiO的结构参数见表1。由表1可见，原料SiO的比表面积为1.95m2/g，经过不同等离子炉功率处理的SiO的比表面积分别为84.16、126.26、172.02m2/g。SiO的比表面积随着等离子体功率的升高而增大，存在这样现象的原因与样品的粒径有很大的关系。在质量一定的条件下，粒径越小表面积越大，比表面积也会随之增大；而原料SiO是微米级的粒径，当制备成纳米级SiO时其粒径变小，因此，其比表面积升高。而孔容和孔径的出现应该是与颗粒之间团聚造成的。在锂离子电池负极材料应用中为了克服SiO的体积效应，维持稳定的导电接触，目前的一种方法是使用纳米SiO材料，既利用纳米尺寸效应，通过大幅度提高材料比表面积缓解SiO在电化学过程中的体积变化，并且提高材料比表面积有利于锂离子实现脱嵌。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能陶瓷涂层的制备技术与发展趋势[J]. 董洪亮,李国军,崔学军. 材料导报. 2008(S2)
本文编号：3113117
【文章来源】：有色金属工程. 2020,10(07)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
热等离子体冶金反应装置
图7 SiO颗粒的充电循环容量比较图本研究综合考虑SiO原料完全气化所需能量和设备极限，在13.0～16.0kW区间范围选取三个实验点，并发现电池比容量随功率提升而升高。但可以推测，当功率提升到一定值后对应的电池比容量有降低的可能性，即存在最优功率值。更高的功率意味着气化区更高的温度，以及冷却（形核）区更大的温度梯度，进而气相SiO冷却至液相并形核的趋势更强。SiO冷却过程中在一定温度条件下歧化反应得到Si与SiO2对电池性能的提升也存在最佳值，过大比例的Si虽然可提高首次电池容量，但体积变化问题会降低电池循环稳定性；另外，歧化反应产生的SiO2为电池惰性组分，且消耗电解液生成锂的氧化物与硅酸盐而造成首次库伦效率的降低等问题。
图2为SiO产品的XPS谱图，谱图出现了四个特征峰，电子结合能从高到低依次是O(1s),C(1s),Si(2s）和Si(2p）。硅的氧化情况可通过对Si(2p）特征峰进行分峰拟合分析得知（见图3）。从图3中可以看出，Si(2p）峰值分别由位于约99.40和103.18eV的Si—Si和Si—O—Si两个峰组成[13]，其中在101.86eV位置分出来一个峰，据文献记载纯SiO的Si(2p）峰出现在101.8eV位置[14]。从Si(2p）的拟合峰可知，由于在其表面存在天然SiO2氧化层[15]，检测到对应于Si 4+的103eV附近的宽峰，而Si的存在可能与SiO的歧化反应有关[16]，将对提高锂离子电池容量有促进作用。SiO的结构参数见表1。由表1可见，原料SiO的比表面积为1.95m2/g，经过不同等离子炉功率处理的SiO的比表面积分别为84.16、126.26、172.02m2/g。SiO的比表面积随着等离子体功率的升高而增大，存在这样现象的原因与样品的粒径有很大的关系。在质量一定的条件下，粒径越小表面积越大，比表面积也会随之增大；而原料SiO是微米级的粒径，当制备成纳米级SiO时其粒径变小，因此，其比表面积升高。而孔容和孔径的出现应该是与颗粒之间团聚造成的。在锂离子电池负极材料应用中为了克服SiO的体积效应，维持稳定的导电接触，目前的一种方法是使用纳米SiO材料，既利用纳米尺寸效应，通过大幅度提高材料比表面积缓解SiO在电化学过程中的体积变化，并且提高材料比表面积有利于锂离子实现脱嵌。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能陶瓷涂层的制备技术与发展趋势[J]. 董洪亮,李国军,崔学军. 材料导报. 2008(S2)
本文编号：3113117
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/3113117.html
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