【原创】一文了解硅碳复合材料的种类


来源:中国粉体网   初心

[导读]  硅与石墨、碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)和石墨烯等不同的碳载体结合,制备复合材料,可得到具有优异储锂性能的硅/碳复合负极材料。硅在复合材料中作为主要活性物质,提供高容量;碳材料作为载体,缓冲硅颗粒的体积变化,并作为导电网络,维持电极内部良好的电子导电性。

中国粉体网讯  硅材料以其理论比容量高(4200mAh/g)、脱/嵌锂电位较低、元素储量丰富等特点,被认为是商业化碳材料最具前景的替代材料之一。但是,硅在脱/嵌锂过程中体积膨胀高达420%,剧烈的体积效应会引发一系列的负反应,限制了其实际应用。

 

硅与石墨碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)和石墨烯等不同的碳载体结合,制备复合材料,可得到具有优异储锂性能的硅/碳复合负极材料。硅在复合材料中作为主要活性物质,提供高容量;碳材料作为载体,缓冲硅颗粒的体积变化,并作为导电网络,维持电极内部良好的电子导电性。

 

接下来,中国粉体网小编将通过本文介绍硅碳复合材料的种类,以及不同种类碳载体与硅复合而形成的硅碳复合材料的特点及制备方式。

 

1./石墨复合材料

 

1.1特点

 

石墨是一种层状结构的晶体,来源广、价格较低,具有良好的导电性能。在硅负极中添加少量石墨可以有效地改善电极的电化学性能。研究发现在石墨片及插入片层结构之间的硅颗粒组成的复合结构中,石墨不仅可以作为稳定SEI层的有效基底,还可以防止硅颗粒的团聚,促进阳极的电子输运。

 

1.2制备方式

 

采用高能球磨的方法,将纳米硅粉分散在石墨结构中,可以有效地缓解硅材料在充放电过程中剧烈的体积变化,石墨还可以阻断部分硅与电解液发生接触。相比于纯纳米硅,硅/石墨复合材料具有更好的循环性能,15次循环后容量保持率接近90%,前5次循环总容量衰减仅为40mAh/g,低于纳米硅的125mAh/g。这是由于纳米硅颗粒良好的塑性和形变性,因此在提高电池循环稳定性方面起到了重要的作用。

 

2./碳纳米管复合材料

 

2.1特点

 

碳纳米管长径比高、机械强度高,又具有较好的柔韧性,但单独用作负极材料时,存在首次不可逆容量大、缺乏稳定的放电电压平台等问题。将碳纳米管与硅材料复合,可发挥协同效应,获得较好的储锂性能。

 

2.2制备方式


3./碳纳米纤维复合材料

 

3.1特点

 

碳纳米纤维除了具有低密度、高比模量、高比强度、高导电和热稳定性等特性外,还具有缺陷数量少、长径比大、比表面积大和结构致密等优点。碳纳米纤维是一种高性能纤维,既具有碳材料电子电导率高的特征,又兼备纺织纤维的柔软可加工性。研究发现,将碳纳米纤维与硅进行复合时,可以为硅材料提供一个体积膨胀缓冲空间,进而降低体积变化所带来的不利影响。

 

3.2制备方式

 

电泳技术可直接将无黏结剂和导电剂的活性物质沉积到集流体上,用于制备硅碳负极材料。利用电泳沉积(EPD)法制备海绵状硅/碳纳米纤维复合材料。先用硫酸与双氧水的混合溶液对CNF和Si进行表面修饰,使表面带有大量的羟基和羧基,从而在溶液中带有负电荷,在外加电场的作用下一起沉积到铜箔上。硅和CNF在集流体上形成海绵状网络结构,多孔结构可缓解硅在循环过程中的体积膨胀。复合材料以0.4A/g电流在0-0.8V循环100次,可保持670mAh/g的比容量,在电流为2.0A/g时的可逆比容量仍有358mAh/g,表现出较好的循环和倍率性能。

 

4./石墨烯复合材料

 

4.1特点

 

石墨烯柔韧性好、比表面积大(理论值为2630m2/g)、电子电荷导电率高,力学性能出色(比金刚石强40倍),是包覆硅纳米颗粒的理想材料,受到人们的广泛关注,很多人将其用于硅负极材料中以提高电池性能。

 

4.2制备方式

 

以镍作为催化剂,在硅表面原位催化生长3D多层石墨烯,制备出核-壳结构硅/石墨烯复合材料。具有高强度和柔性的石墨烯可缓解硅循环时的体积膨胀,与硅的紧密接触,可改善电子传输能力,使硅免于直接与电解液接触形成稳定的SEI膜。产物以0.2A/g电流在0.01-1.50V循环100次,具有1909mAh/g的放电比容量,在52.0A/g大电流下仍有975mAh/g的放电比容量,表现出很好的倍率性能。

 

结语

 

硅材料是目前已知的拥有最高理论比容量的负极材料,作为锂电池负极,在提高动力电池性能上有着巨大的潜力,并且工业上大规模应用的时间窗口已经来临。但是,其存在的充放电过程中巨大的体积变化现象、导电率低和循环寿命较差等问题,对纯硅材料的商业化应用有着较大的负面影响。不可否认的是,随着技术的进步,上述问题已不再是制约硅碳材料发展的核心问题,通过添加稳定性好、导电率佳的碳材料,可降低首次不可逆容量,缓解材料的体积膨胀,并改善倍率和循环性能。

 

参考资料:

1】张成鹏,等. 锂电池硅碳负极材料的研究进展. 2020.

【2】方华,等. 锂离子电池硅/碳复合负极材料的研究现状. 2020.

【3】潘雨默,等. 锂离子电池硅基负极材料的研究进展. 2019.

【4】周军华,等. 锂离子电池纳米硅碳负极材料研究进展. 2020.

 

(中国粉体网编辑整理/初心)

 

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作者:初心

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