中空三维结构的硅碳负极的构筑及性能研究

硅碳材料作为高能量密度的锂电负极材料备受瞩目,但由于硅在充放电过程中巨大的体积膨胀效应,导致了其循环性能差,限制了其商业化应用。本工作利用薄层石墨柔性结构的特点,与纳米硅进行复合制备了中空结构的硅碳复合物,并通过对薄层石墨和纳米硅分别用含有羧基的羧甲基纤维素(CMC)和含有氨基的正硅酸乙酯(TEOS)进行表面修饰。相比于传统的机械混合工艺制备的硅碳负极材料存在纳米硅与碳材料复合不均一的问题,本工作修饰后的纳米硅与薄层石墨之间通过静电自组装作用,可形成更为均一的纳米硅与薄层石墨的复合物(S/MG)。通过造粒技术,构筑了由纳米硅/薄层石墨片层组成的中空结构的硅碳复合物颗粒,而颗粒外部由碳层进行包覆。通过SEM切片、EDS以及高分辨TEM等表征手段,可以看到颗粒内部由纳米硅与薄层石墨层结构构筑了微米尺寸的中空结构,该结构内部不但形成了导电的三维网络结构,而且为纳米硅的体积膨胀提供了充足的缓冲空间,从而大幅提升了硅碳负极材料循环稳定性。相比于传统石墨取代薄层石墨与纳米硅制备的硅碳复合物,薄层石墨制备的硅碳负极的比容量达到958 mAh/g,扣电在0.5 C下循环500次后容量保持率可维持在88%左右。本文作者也从实用角度评价了S/MG全电循环性能,与三元NCM811正极材料组装成的软包全电池,在1 C倍率充放电下,循环1000周后电池容量保持率可达86%,可为高能量密度锂电技术的研究提供实验依据。