硅/石墨/热解碳复合材料的制备与性能

利用化学气相沉积(CVD)法制备了硅/石墨/热解碳复合材料。用XRD、SEM和恒流充放电等测试,分析了制备工艺对复合材料电化学性能的影响。当气相沉积温度为800℃、时间为50 min时,制备的复合材料的循环性能较好,首次和第200次循环的脱锂(放电)比容量分别为535.5 mAh/g和429.8 mAh/g。

硅氧碳-石墨复合材料储锂机理研究

通过对比分析氧化亚硅碳(SiO)、石墨(Graphite)及其组成的复合材料(SiO/Gr)的充电特征曲线,明确了SiO/Gr复合材料在脱嵌锂过程中的锂离子储放机理:嵌锂反应中,在初始电位至0.24 V电压区间,石墨自身容量的7%,SiO自身容量的90%先得到发挥;在[0.24 V,0.005 V]区间,SiO和石墨的剩余容量得到完全发挥;脱锂过程同嵌锂过程相反,依据上述结论和SiO/Gr的放电曲线计算其各组成容量的占比,结果与实际容量占比对比相同。根据上述复合材料的储锂机理,分析了不同过量比设计参数与SiO发挥容量占负极总容量比例关系,预测并验证了过量比设计参数与电池循环寿命的相关关系。

锂离子电池碳包硅/石墨复合材料的制备及其电化学性能研究

采用简单的机械球磨法和高温热解法将热解碳包覆在纳米硅表面,再通过二次球磨制备出碳包硅/石墨复合材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对复合材料的微观结构和表面形貌进行表征,并将该复合材料制成扣式电池,对其进行恒流充放电循环性能测试和交流阻抗测试。研究发现,碳包硅/石墨复合材料首次可逆比容量为1026mAh/g,经过50次循环后,比容量仍然保持在875.4mAh/g,容量保持率为82.27%。循环稳定性远高于单一的碳包硅材料,极大地提高了硅基材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能。

中空硅球/石墨烯复合材料制备及电化学性能

锂离子电池中硅基负极材料具有极高理论容量和低充放电电压平台,作为代替石墨的最佳负极材料,成为当下研究中热门的锂电池负极材料。设计中空硅球/石墨烯复合材料,H-Si球与氧化石墨烯水热条件下形成三维多孔石墨烯气凝胶内嵌硅球复合物(H-Si/GA),H-Si球与聚二烯丙基二甲基氯化铵(poly dimethyl diallyl ammonium,PDDA)功能化的氧化石墨烯溶剂热条件下静电吸附形成包覆状复合物(H-Si/G)。借助结构表征和电性能测试,硅球与石墨烯紧密包覆状的H-Si/G展示出更佳的电性能。中空硅球由于静电吸附作用嵌入石墨烯纳米片中,石墨烯牢牢固定硅球,构建了稳定的导电通道,缓冲体积膨胀,并保持电极结构稳定。硅球内部的空隙空间为体积膨胀预留足够缓冲空间,缩短了电子和离子传输通道。

纳米硅碳/石墨复合负极材料的制备及其电化学性能研究

以机械球磨法和化学气相沉积法制备的纳米硅为原料,通过喷雾干燥法制备了人造石墨@纳米硅@无定形碳材料,探究不同制备工艺的纳米硅对包覆效果的影响。结果表明,气相沉积法制备的球形硅颗粒包覆效果更好,材料的电化学性能更优,在0.1C倍率下循环150周,比容量维持在678.7 mAh·g^(-1)。

锂离子电池硅/石墨/碳负极材料性能

为提高锂离子电池硅基材料的循环性能,用高温固相热解法合成硅/石墨/碳复合材料.采用XRD、循环伏安和充放电技术表征其结构和电化学性能.考察不同的粘结剂体系和极片热处理对材料电化学循环性能的影响.结果表明:采用水性粘结剂可以提高材料的电化学性能;对极片进行热处理也可以很好地提高电极的循环稳定性.首次脱锂比容量为970.5 mAh/g,40次循环后,脱锂比容量仍高达822.1 mAh/g.

晶须对碳碳复合材料组织和力学性能的影响

添加硅灰石(CaO·SiO2)晶须制备碳纤维预制体,并在980℃下进行化学气相沉积,高温石墨化处理后制备得到CaO·SiO2晶须改性的C/C复合材料。利用SEM、金相显微偏光分析以及力学实验等方法研究了预制体结构对基体微观结构、物理性能和力学性能的影响。实验结果表明:添加CaO·SiO2晶须会诱导热解炭呈锥形生长,同时在石墨化过程中会诱导热解炭的组织结构发生有序性转变,与基体反应生成SiC二次纤维。添加CaO·SiO2晶须使得复合材料的石墨化度由31.6%提升至41.1%,导热和导电性能相比于未添加晶须时分别增加了71.7%和14.3%,复合材料的弯曲强度相比于未添加晶须时提升了5%。

SiC/多层石墨烯纳米复合材料的制备与表征

以聚碳硅烷(PCS)为先驱体,经过高温裂解、化学气相沉积(CVD)过程,制备了SiC/多层石墨烯纳米复合材料。采用热差分析(TG-DTA)研究了PCS裂解过程。采用扫描电镜SEM、透射电镜TEM、拉曼光谱RAMAN以及X-射线衍射XRD等方法对纳米复合材料的形貌、结构进行表征分析。结果表明,合成出具有核心/壳层结构的纳米复合材料,核心为SiC颗粒(3C-SiC),壳层为多层石墨烯(~10层)组成的纳米石墨。

液相汽化TG-CVI法制备C/C复合材料的组织和性能

为了提高C/C复合材料的致密化速率,本研究以环己烷为碳源前驱体、普通碳毡为预制体,设计了前驱体蒸发与热解碳沉积一体的沉积装置。采用液相汽化TG-CVI法快速制备C/C复合材料,并对复合材料进行2000℃下保温2 h的高温热处理。采用偏光显微镜(PLM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)仪表征了复合材料的显微组织、断口形貌、物相结构及晶化程度,并采用万能试验机测试复合材料的抗弯强度。结果表明,初始密度为0.14 g/cm^3的环形预制体在温度为1000℃及压力为20 kPa下沉积20 h后,其平均密度可达1.65 g/cm^3;液相汽化TG-CVI的致密化速率为0.0755 g·cm^-3·h^-1,较传统ICVI提高了近一个数量级;复合材料的组织均为粗糙层热解碳,弯曲强度约为63.24 MPa,断裂形式为假塑性断裂。复合材料经2000℃下2 h热处理后,C(002)层间距显著减小,微晶由乱层结构向理想石墨转化,具有较高的石墨化度。

离子推力器碳基材料栅极研制与应用现状及启示

离子推力器是广泛应用于空间航天任务的电推力器之一,栅极在离子推力器中承担着引出离子并加速进而实现推力的作用,直接影响推力器性能及寿命。相比于传统钼栅,碳基栅极具有热膨胀系数低、耐离子溅射高等优势,是未来高比冲、大推力、长寿命离子推力器栅极的理想候选材料,已被国外部分先进离子推力器成功在轨应用。分析对比了不同栅极材料特性,调研总结了国内外碳基栅极研制过程及技术特点,并报道了作者近期在小口径不同构型C/C栅极与一体化C/C栅极研制方面的相关进展,最后针对我国离子电推进发展趋势,提出了后续碳基栅极研究的经验启示与建议。

微米硅-石墨-碳负极的制备及在锂离子电池中的应用

硅作为锂离子电池负极的理论比容量是商用碳材料的10倍以上,但是其在循环过程中的巨大体积变化会导致电池负极粉化,形成不稳定的固体电解质界面(SEI)膜,从而阻碍硅负极材料的实际应用。以价格低廉的微米硅作为原材料,石墨和聚丙烯腈作为碳源,采用球磨、液相包覆和热解的方法,制备了微米硅-石墨-碳(Si-G-C)复合材料。所制备的微米Si-G-C电极表现出优异的循环稳定性能和倍率性能,在500 mA/g的电流密度下,循环100次后仍有1 000 mA·h/g的高可逆比容量,容量保持率为67.75%。即使在1 A/g的大电流密度下,其循环100次后,可逆比容量也可达到873 mA·h/g。

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。

硅与甲烷复合修复氧化石墨烯缺陷的反应分子动力学模拟研究

碳硅复合材料是一种使用广泛的新型材料,但微观层面上的碳硅结合的缺陷限制了其性能的进一步提升。采用分子动力学模拟方法,研究了甲烷和纳米硅组成的碳硅修复体系对氧化石墨烯微孔的修复过程,模拟计算出沉积体系不同碳硅比例时的结构演变、径向分布函数、配位数与碳环的数量变化。提升硅元素的含量能够形成更多的碳硅键,过多的硅元素会导致自聚从而导致硅元素的分布不均匀;提升碳硅沉积体系中的碳含量能够优化硅元素的分布,形成长碳链并构成碳网络,促进缺陷结构的修复,优化结构中的孔洞分布并缩小孔洞的尺寸,从而改善材料的微观结构。

Si/AG/C复合负极材料的制备及性能研究

以硅、人造石墨和蔗糖为原料。通过高温裂解法制备了硅／石墨／碳复合材料作为锂离子电池负极材料。用扫描电子显微镜法（SEM）和X射线衍射光谱法（XRD）分析材料的形貌和结构。复合材料制备成电极后，通过恒流充放电、循环伏安（CV）和电化学交流阻抗频谱（EIS）测试其电化学性能。结果表明：裂解碳将石墨和硅紧密包裹，高温后硅和石墨仍为晶体结构；在600-900℃，复合材料脱锂比容量随温度升高而增加。首次脱锂比容量在1000~1100mAh／g。复合材料循环40次后比容量保持在418-543mAh／g。紧箍包裹结构的硅／石墨／碳复合材料兼有石墨循环性好和硅容量高的特点。

离子推力器碳基材料栅极研究进展

栅极组件是离子推力器的关键部组件之一,直接影响推力器的性能和寿命。相比传统金属钼,碳基材料具备较低的热膨胀系数和较强的耐离子溅射性,是离子推力器栅极组件的理想材料,可以有效提高推力器的寿命和可靠性,碳基材料栅极组件已被国外先进离子推力器广泛采用。在调研国外碳基材料栅极研制过程的基础上,结合国内碳基材料研制水平,针对目前我国离子推力器的长远发展部署,提出开展碳基材料栅极组件制造的初步建议。

结构有序的Si/void/C/graphene纳米复合结构的制备及储锂性能

采用简单的超声、冷冻干燥和热还原相结合的自组装方法,设计和构建了纳米硅核/间隙/无定形碳壳层/石墨烯(Si/void/C/graphene)三维有序纳米复合结构。在该结构中,纳米硅核与碳壳层之间的空隙有效避免了硅的巨大体积膨胀对碳层的破坏,大幅度提高了锂离子电池的循环稳定性;将Si/void/C纳米结构嵌入在石墨烯层与层之间,利用石墨烯卓越的导电性和柔韧性,进一步缓冲了硅材料的体积效应和提高了复合材料的导电性能。该复合材料在4200 m A·h·g^(-1)(1 C)电流密度下循环1000次后比容量仍高达1603 m A·h·g^(-1);在67 A·g^(-1)(16 C)的高倍率下,比容量仍有310 m A·h·g^(-1),显示出了在锂离子电池负极材料领域的巨大应用潜力。

前驱体热解制备多孔SiOC复合材料及性能

用木粉浸渍聚合物前驱体有机硅树脂,然后在Ar气氛中高温裂解合成多孔SiOC复合材料。采用热重差热分析、X射线衍射、红外光谱、Raman光谱、扫描电子显微镜、氮吸附法等对样品的物相组成、形貌及微观结构进行了表征,并用四探针法检测样品的电学性能。结果表明:SiOC复合材料由SiOC相、α-石英、方石英、β-SiC和类石墨碳组成。随着烧结温度的升高,样品的Si—O吸收峰强度逐渐减弱,Si—C吸收峰强度逐渐增强,样品的石墨化程度先减小后增大,比表面积逐渐增大。当烧结温度达1 400℃时,样品具有较高的比表面积(187.5 m^2/g)及较低的体积电阻率(0.013Ω·cm),且在Ar气氛中表现出较好的热稳定性。

文摘

新的化学计量溴代富勒烯制备及表征[刊,韩]／REEMAMEHROTA,DARSHAN LAL,et al//Carbon Science,2003,4(4):175 系统研究了不同实验条件下溴代富勒烯的合成。