胶体模板法如何制备锂电池硅碳负极材料？？
来源：宝鄂实业
2019-04-04 17:00
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硅基材料由于其具有较高的容量和低放电电位的优点，是作为高能量密度锂离子电池最有前景的候选材料。然而，硅在嵌锂之后会产生巨大的体积膨胀（~300%），从而导致其结构破坏，形成连续不稳定的固体电解质界面（SEI），这极大地阻碍了硅基负极材料在实际电池中的应用。
为了解决这些缺点，研究者对具有新型结构的硅基材料进行了大量的研究，包括纳米结构的硅和硅/碳复合材料。然而，减小硅颗粒尺寸对性能的改善程度有限，硅表面暴露于电解液中仍会造成较低的库伦效率和容量衰减。
目前，碳包覆纳米硅被认为是提高硅基负极电化学性能的最有效策略之一。一方面，碳壳提供了体积变化的空间；另一方面，碳壳表面形成稳定的SEI膜，有利于库伦效率的提高和容量的保持。
近日，华东理工大学龙东辉教授和美国加州大学河滨分校郭居晨教授(共同通讯)以“Colloidal Synthesis of Silicon@Carbon Composite Materials for Lithium-Ion Batteries”为题在Angew. Chem. Int. Ed上发表文章报道了一种新型碳/硅复合材料。
两种不同的方法（硬模板法SiNPs@CPS和软模板法SiNPs@CHD）得到的材料，由于纳米硅颗粒在炭载体中的分散形式不同，将其作为锂离子电池负极材料，也表现出不同的性能。
结果表明纳米硅颗粒在炭壳层中更均匀的分散，其循环稳定性和倍率性能也更优异。基于实际应用的考虑，将其作为添加剂与天然石墨混合，所制备的Si/C负极可逆容量可达600 mAh g-1 (3.1 mg cm-2) 和450 mAh g-1 (4.5 mg cm-2)。
一: 硬模板法制备的硅/碳复合材料SiNPs@CPS的形貌表征
(a) SiNPs@CPS的TEM图像；
(b) SiNPs@CPS的暗场TEM图像和EDX元素谱图。
二：SiNPs@CPS的电化学性能研究
(a) SiNPs@CPS在不同电流密度下的循环曲线和库伦效率曲线；
(b) SiNPs@CPS在0.1C电流密度下的充放电曲线。
三：软模板法制备的硅/碳复合材料SiNPs@CHD的形貌表征
(a) SiNPs@CHD的TEM图像；
(b) SiNPs@CHD的暗场TEM图像和EDX元素谱图
四：SiNPs@CHD的电化学性能研究
(a) SiNPs@CHD在不同电流密度下的循环曲线和库伦效率曲线；
(b) SiNPs@CHD在0.1C电流密度下的充放电曲线。
五: SiNPs@CHD作为石墨负极添加剂的电化学性能研究
(a) SiNPs@CHD在CVD处理之后的SEM图像；
(b) graphite-SiNPs@CHD电极的横截面SEM图片；
(c) graphite-SiNPs@CHD在250 mA g-1和500 mA g-1电流密度下的循环性能和库伦效率曲线；
(d) graphite-SiNPs@CHD在250 mA g-1电流密度下的充放电曲线。
