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硅作为一种新型锂离子电池负极材料,由于具有理论比容量高(4200mAh/g)、与碳材料电位相近和资源丰富等优势而备受关注,但是因体积膨胀引起的寿命较短、价格昂贵等缺点限制了硅材料的大规模应用。研究表明,将其纳米化,与碳材料复合化,是提高硅材料寿命和降低成本的有效手段。本文通过高能球磨法和高温热解法,以微米Si作为硅源,石墨和沥青作为碳源,将Si、石墨G与无定形C三者结合,制备了Si含量为5wt.%的Si/G/C复合材料。 通过研究表明,Si与石墨G混合物以球料比10∶1球磨20h,碳源采用2号沥青,将Si/G混合物溶于沥青溶液,控制Si/石墨G/热解无定形C三组分质量比为5∶66∶29,以Ar气为保护气,800℃热解2h,热解所得材料再以球料比10∶1球磨粉碎30min,得到的材料具有最佳的性能。 XRD测试结果表明,该材料中只有石墨和Si两种晶态物质,通过Scherrer公式计算出Si的晶粒直径为21.4nm; SEM和粒径分布结果显示,材料为典型层状石墨结构的堆叠,平均粒径为10μm左右;BET结果显示,材料比表面积为15.5m2/g; HRTEM结果证实,材料中存在Si、石墨G和无定形C三种物质,Si颗粒大小为50nm左右,分散在石墨G与无定形C构成的基体中。 恒流充放电结果表明,该材料首周放电容量661mAh/g,充电容量501mAh/g,首周库伦效率75.8%;第4周以后,库伦效率即达98%以上,13周以后达到99%以上;循环50周以后剩余容量为473mAh/g,循环100周以后剩余容量为490mAh/g,显示出较高的可逆容量和较优异的循环性能。倍率测试结果显示,100mA/g电流密度下,可逆容量为490mAh/g左右;500mA/g电流密度下,可逆容量为340mAh/g左右,且电流密度再降为100mA/g以后,可逆容量恢复为460mAh/g左右,表现出较优越的倍率性能。 本文制备的Si/G/C复合负极材料具有较低的成本和较优异的电化学性能,有望用作商业化锂离子电池代碳负极材料。