碳硅复合材料的制备及其电化学性能研究

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随着人类社会能源与资源的日益枯竭,开发和利用新能源已经成为了人们的首要任务。硅基负极材料具有很高的理论比容量,但是在实际的应用过程中,其自身的体积膨胀会使得电池的循环稳定性能下降。碳材料具有良好的导电性,可以用来缓冲硅体积的膨胀,同时增强负极材料的导电性能,既能够保障高的比容量,同时也能够提高其循环稳定性。本研究采用两种不同的碳源,聚苯胺和乙炔气体。结合市售纳米硅粉,分别采用热解碳以及化学气相沉积的方法制备碳硅复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、热重分析(TGA)等测试样品的形貌组成。并对样品的电化学性能进行了测试。具体的研究内容以及结果如下:(1)以纳米硅和苯胺为原料,在聚苯胺的制备过程中使其包覆在硅纳米颗粒的表面,之后通过高温煅烧将外层的聚苯胺碳化得到碳层。讨论了不同碳硅比下对其电化学性能的影响。研究表明:碳层均匀的包覆在纳米硅颗粒的表面,同时在高温热解的过程中,无其它副产物生成。纳米硅粉的初始比容量为2679mAh g-1,但是在循环5圈之后其容量不足100mAh g-1。相比较,聚苯胺包覆的纳米硅循环性能有明显的提高,其中SiPANi-30wt%复合物的电化学性能最好,初始比容量为904.2mAh g-1,200圈后的比容量为548.6mAh g-1。(2)以纳米硅和乙炔气体为原料,通过化学气相沉积法制备出Si@void@C卵壳结构的碳硅复合材料,通过控制通入乙炔气体的时间调控碳包覆层的厚度。考察了不同碳硅比复合材料的电化学性能,结果显示当通入乙炔气体15min时制备的材料性能最好,其初始容量高达1048mAh g-1,200圈后的容量依然为983mAh g-1,容量的保持率为93%,首圈库伦效率为73%。相对于同条件下制备的核壳结构Si@C复合材料(首圈的初始容量为981mAh g-1,200圈后的容量变化为635mAh g-1,容量的保持率为65%),卵壳结构的Si@void@C展示出更高的容量和良好的稳定性。本文对可能机理进行了讨论。
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