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硅是被认为极具前景的下一代负极材料,具有超高的理论比容量,环保无毒,储量丰富,放电电位低等优点。然而,硅在脱嵌锂过程中会发生巨大的体积膨胀,以及形成不稳定的固体电解质界面(SEI)膜,导电性差等,限制了硅在锂离子电池中的商业化应用。本文我们以硅与碳纳米管,芳纶纤维相结合,制备出一种将活性物质与集流体一体化的柔性电极,聚丙烯腈包覆纳米硅与多壁碳纳米管混合的复合材料,改性后的纳米硅和碳纳米管通过离子键的结合,增强了两相间界面作用力。作了如下研究:(1)通过简单的真空抽滤和热压工艺制备了芳纶电极。SEM结果表明,活性物质均匀地嵌入到芳纶碳管导电纸的三维导电网络的孔隙中。活性物质和导电网络的接触界面增大,界面电阻大大降低。在充放电过程中,多孔导电纸可以有效缓冲硅(Si)的体积膨胀,电极还表现出良好的循环稳定性。电化学测试显示,芳纶电极的首次放电比容量达到2140 mAh/g,库仑效率为85%,100次循环后,比容量仍保持在1450 mAh/g。在1.5 A/g的大电流密度下,芳纶电极比容量保持1000mAh/g,而铜箔电极比容量只有90mAh/g。(2)通过简单高能球磨和高温热解法制备了锂离子电池硅碳复合电极材料,聚丙烯腈(PAN)包覆的纳米颗粒(Si@PAN)与多壁碳纳米管(MWCNTs)混合,制得Si@c-PAN/MWCNTs复合材料作为锂离子电池的负极材料。包覆在纳米Si外层的c-PAN(高温热解后的PAN)能够有效缓冲Si在充放电过程中巨大的体积变化产生的应力,同时MWCNTs作为Si@c-PAN的基体阻止Si@c-PAN颗粒的团聚,也提高了电极的导电性能。电化学测试结果表明,Si@c-PAN/MWCNTs电极在电流密度为0.2A/g时,其首次放电比容量达到2098 mAh/g,库伦效率达到86%;循环50次后可逆比容量仍能够达到1278 mAh/g,在2 A/g放电时仍保持良好的循环稳定性。(3)硅/碳纳米管复合材料的研究已有报道,但通过离子键增强复合材料的研究却很少见。制备了稳定性良好带羧基的碳纳米管(MWCNTs)和带氨基的硅(Si),两溶液混合水浴超声后干燥加热处理,得到电化学性能良好的复合材料(NMC/Si)。采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜以及恒电流充放电测试。带有正电荷的Si与带有负电荷的MWCNTs由于静电的相互作用,两者之间以离子键结合,要比普通物理复合材料的综合电化学性能更加优异。结果表明,NMC/Si电池在80 mA/g电流密度条件下,100次充放电循环后,电池的比容量仍能够稳定在1180 mAh/g,库伦效率保持在99%以上。