锂离子电池用碳硅复合材料的制备

当今社会对能源储存的需求日益迫切,锂离子电池因其具有储能密度高、使用寿命长、额定电压高等优点而被广泛运用。负极材料是决定锂电容量的关键因素。目前,商业化的锂离子电池常用的负极材料是石墨等碳系材料,但碳类负极材料的比容量较低,很难适应人们对高能锂电的要求。而硅负极具有理论比容量、低脱嵌锂电压、储量丰富、环保等优点,有望成为下一代高能锂电的负极材料。但是,硅负极商业化仍具有以下挑战:

（1）随着锂离子的脱嵌,硅的体积膨胀可达300%以上,造成负极活性物质结构坍塌,锂电的循环性能衰减;

（2）粉碎的硅负极与电解液和锂离子持续生成SEI膜,造成不可逆的容量损失;

（3）硅在常温下的电导率较低,使锂离子脱嵌时受到较大的阻力。针对以上问题,本实验分别研制了微米级掺杂硅、纳米级掺杂硅和掺杂石墨,通过使用高温热解、球磨和细胞粉碎方法等制备不同的碳硅复合材料,取得以下结论:

（1）相比于使用碳-微米级未掺杂硅的锂电,使用碳/微米级n型掺杂和p型掺杂硅负极的锂电内阻均下降了34?至114?,并且首圈放电比容量容量增加了136.6 mAh/g至517.0 mAh/g;

（2）碳纳米管-碳包覆硅的结构能够有效改善硅负极在首次充放电中的体积效应,使锂电首次充放电效率从28.8%以下,均提升到了63%以上;

（3）将碳-碳纳米管材料与镁热法制备的纳米硅复合后制备的负极材料,能够大幅度的提高锂电的循环稳定性,使碳硅比为1:1的锂电首效上升到95%以上,但由于硅的纯度不高,所以锂电的比容量最高只达到442.4 mAh/g。使用了商业化纳米硅之后,经过十圈的充放电循环后电池仍具有244.4 mAh/g至836.9mAh/g的比容量,充放电效率均在95%以上;

（4）由于石墨本身容量的自限性,所以即使使用掺杂石墨/硅负极材料也能使锂电的内阻有所下降,比容量也只能提升17.5 mAh/g至89.6 mAh/g,但掺杂石墨可以使锂电经过五圈充放电循环后,仍具有60.5%至88.7%的容量残余率。