论文部分内容阅读
硅作为一种新型锂离子电池负极材料，具有理论比容量量高，电压平台低，安全性能高，来源广泛等优势。但是，同时存在首次充放电过程中不可逆容量损失大，循环过程中硅材料体积变化大容量衰减快，导电性差等缺陷。研究表明，将其纳米化，或者与碳材料复合化，是改善硅材料循环寿命的有效措施。 本文在前人采用高能球磨法制备Si/G材料的基础上，通过加入导电性良好的过渡金属Fe，并结合高温焙烧法，以PVA为碳源，制备了Si/G/C/Fe复合材料，探索了其最优组分及最佳制备条件，并对其物化性能和电化学性能进行了研究。研究表明，Si/G/C/Fe负极材料的最佳质量比为 Si:G:Fe:C=19:47.5:28.5:5。最佳的制备工艺为：以球料比为10:1球磨20h制得Si/G/Fe的混合物，加入PVA继续球磨10h制得前驱体；氩气条件下，以10℃/min的升温速率升温至700℃，并在700℃下焙烧2h。研磨粉碎热解产物，得到最佳性能复合材料。XRD结果显示:材料中 Si、石墨 G、Fe以单质的形式存在。SEM照片显示:Si/G/C/Fe材料颗粒比较细，Fe的加入有效抑制了Si颗粒的团聚，较好的保持了石墨的片状结构。粒径分布测试结果显示，Si19G47.5C28.5Fe5材料D50为17.686μm，比表面为5.31 m2/g。TEM证实Si均匀分散在G、Fe和无定形碳中，Fe使Si分散得更加均匀，并有效抑制Si团聚，含有Fe和Si的球状颗粒直径约为100 nm，附着在石墨片层上，并被无定形碳包覆，这种结构有效缓解Si在充放电过程中体积变化。含有少量金属Fe的Si颗粒导电性明显增强。电化学测试结果显示：Si19G47.5C28.5Fe5负极材料首周充放电容量分别为621.1 mAh/g和785.9 mAh/g，首效79.0％，循环50周后，放电容量为617.5 mAh/g，容量保持率79.0%，表现出较好的循环稳定性。CV研究表明，首周阴极扫描过程中有SEI膜的生成；EIS研究表明，加入Fe之后材料的极化电阻较低，说明Fe的添加在一定程度上增加了材料的导电性，改善了材料的电化学性能。本文制备的Si19G47.5C28.5Fe5材料表现出优良的电化学性能，是一种有前景的锂离子电池负极材料。