锂离子电池硅碳复合负极材料的研究

为了不断提升新能源汽车的续航里程,近年来对锂离子电池的能量密度要求越来越高.到2020年，我国对锂离子电池电芯能量密度的期望值将达到350Wh/kg.由于现有的商用负极材料石墨难以满足上述要求，因此,开发新型高容量负极材料成为研究热点.硅的理论嵌锂容量高达4200 mAh/g,且具有脱锂电位低资源丰富、成本低和环境友好等优势,成为综合性能最具发展潜力的新型负极材料。

硅材料虽然储锂容量较大,但锂离子在嵌人硅过程中会引起体积膨胀(300%),易造成材料结构的崩塌和活性物质的脱落,使循环稳定性大大下降.同时,这种体积效应也使电极表面难以形成稳定的固体电解质界面膜(SEI膜),导致不断有硅裸露到电解液中.针对硅负极材料循环稳定性的问题,近年来,研究人员将硅进行纳米化处理，即硅单质材料体系的改性.通过制备各种纳米硅材料来缓解硅嵌锂产生的体积膨胀.研究表明,当硅颗粒尺寸小于单个硅纳米颗粒嵌锂过程中的破碎临界值,纳米硅颗粒在参与电化学反应过程所产生的应力能不足以使得电极表面生成裂纹，从而避免颗粒的破碎粉化.但是,纳米硅的高活性表面则会使电极发生较多的副反应,造成较高的不可逆容量损失.因此,除了硅纳米化改性技术外，还应通过硅与碳材料的二元或多元复合来制备复合材料，即建立硅复合材料体系。

基本原理是利用第二相的机械性能和导电性来抑制硅的体积效应和增强硅的导电性，减少电极副反应的发生,并防止嵌脱锂过程中纳米颗粒的团聚.李纯莉[13]先采用酸浸蚀方法从铝硅合金得到纳米硅,然后将纳米硅与石墨烯使用凤谷回转窑进行复合制得石墨烯/多孔硅复合负极材料.复合结构中的石墨烯片或均匀分散在多孔纳米硅颗粒间,或包裹着小尺寸的纳米硅颗粒,有效改善了纳米硅的导电性和减缓多孔硅结构的衰变.用复合材料制成的电极在循环120周后，其放电比容量仍可达1843 mAh/g.Julien[14]利用激光化学沉积热解法(LCVP)制备出包覆1 nm厚度碳层的纳米非晶硅复合材料，经充放电循环后,极片厚度从循环前的12.6 μm到嵌脱锂300周后的14.9 μm,,体积膨胀率仅18%,表现出良好的循环性能,所设计的核壳结构保持了材料结构和电极的稳定性.Zhuangf15]以纳米氧化镁为造孔剂,将纳米硅嵌人多孔碳中,制备的复合材料在循环40周后仍有1172 mAh/g的可逆容量，主要归功于多孔碳支架为纳米硅提供充足的空间以缓冲硅的体积变化.综上所述,采用硅纳米化和复合化相结合的方法制备电化学性能优异的硅碳复合材料是切实可行的。

本文以纳米硅粉和沥青为原料,通过喷雾干燥热解法在纳米硅颗粒表面包覆-~层无定形碳层制得Si@C复合物,将Si@C复合物和人造石墨颗粒混合可制得用于锂离子动力电池的Si@C/G复合负极材料.通过喷雾干燥热解的方法制备核壳型Si@C复合物,将Si@C复合物和石墨混合制得Si@C/G复合材料,可作为锂离子动力电池的负极材料.当Si@C/G复合材料中Si@C复合物和石墨的质量比为15:85时，在100mA/g的恒电流下，首次放电比容量为695.4 mAh/g,首次库仑效率为86. 1%.循环80周后容量仍有596. 6 mAh/g,容量保持率达到85.8%。