硅碳碳纳米管复合负极材料的电化学性能[1]_图文

1、材料热处理技术仃年月硅删纳米管复合负极材料的电化学性能栾振兴，许云华，周志斌，燕映霖（西安建筑科技大学材料科学与工程学院，陕西西安）摘要：采用高温裂解沥青、纳米硅和超声酸化处理的碳纳米管混合物，制备了锂离子电池负极复合材料硅碳碳纳米管。测试表明复合材料首次放电比容量高达，经过个循环后可逆容量仍高达柚。碳纳米管在碳基体中形成的网状结构使复合材料在循环过程中保持较好的稳定形貌。关键词：锂离子电池；沥青；硅；碳纳米管中图分类号：文献标识码：文章编号：一（），（，肘疵施如，几百肿舡，帆如耶妇矿，砌帆死，魄，肌锄，矾嘲咖：讪（）刚油（）鲫姐（）仃唱印够灿“，柚唱时玛唱铆【印协血唱（：岫；锄锂离子电池已在

2、消费电子产品如手机、笔记本电脑、数码相机等中得到广泛应用。目前主流的锂离子电池负极材料主要为天然石墨。然而，天然石墨因其较低的理论容量（）已难以适应在各种便携式电子设备的小型化发展应用及电动汽车对大容量高功率化学电源的广泛需求。硅材料由于具有很高的储锂容量（高达【】，是天然石墨的多倍）以及较低的储锂电位而备受瞩目，是新型高容量储锂材料的理想候选材料。但是硅在充放电过程中会产生巨大的体积变化易使电极结构崩塌嗍，导致其内部电阻急剧升高从而使硅的循环性能非常差。为提高硅负极的循环性能，采用粒度为纳米级的硅并进行复合是一种有效的办法】。其中。硅碳复合材料因为具有较高的容量而备受关注但是碳基体对硅在循环

3、过程中产生的体积变化的缓冲能力有限。硅碳复合材料的循环性能仍不能达到作为商业化应用的要求。从文献】和文献【】的研究中得到启发，本文通过高温裂解沥青，并收稿日期：作者简介：栾振兴（一），男，山东兖州人，硕士研究生，主要研究方向为化学电源与新材料：电话：对碳纳米管进行改性处理既增加了碳纳米管的嵌锂容量。又减少了碳纳米管的长度盼。便于均匀分散，制备了一种新型的组织均匀的硅碳碳纳米管复合负极材料。实验材料与方法碳纳米管的处理将碳纳米管浸入一定体积比的：。，溶液中，经超声振荡，机械搅拌后，浸泡。经过浸渍的样品用去离子水洗涤微孔滤膜过滤，在空气中高温处理。所得样品用去离子水洗涤，过滤干燥后备用。硅，碳，碳

4、纳米管复合材料的制备将纳米硅和碳纳米管分别放入甲苯溶液超声分散一定时间后，然后倒入溶于甲苯的沥青溶液中，三者质量比为：。机械搅拌直至溶液成粘稠状然后将样品在真宅中十燥直到溶剂完全挥发再将样品移入管式炉中，在心气保护下于保温，自然冷却至室温。其中，心气流速为升温速率为。将烧结后的产物用手研磨成粉末，在充入高纯氩的球磨罐中进行球磨球密机转速，球料质量比为：。作为对比，硅碳复影，万方数据下半月出版材料热处理技术合材料在同样条件下制备。电池的组装与测试将制备的活性材料、导电炭黑、粘结剂按质量比：并加入适量的混合，搅拌均匀后涂覆在集流体铜箔上并在真空下烘干。取出后在真空手套箱里与锂片组装扣式电池电解液为

5、：（体积比为：）。电化学测试在室温下进行，电压，电流密度。材料的相结构和形貌分别利用）（】和场发射扫描电镜（）进行表征。结果和讨论图为硅碳碳纳米管复合材料的）如和图。从图中可看出材料中没有等杂相的生成，衍射峰强的为硅没有观察到碳的衍射峰，说明碳在复合材料中为无定形态。从图中可看出发亮的球状颗粒为纳米硅被改性碳纳米管均匀地缠绕在无定形碳的基体中。硅和碳纳米管都没有出现明显的团聚现象说明硅和碳纳米管都得到了较为均匀的分散，这有助于改善复合材料的循环性能。纳水舯口（。）图复合材料硅碳，碳纳米管的和罔罔为复合材料硅碳和复合材料硅碳碳纳米管分别作为负极材料的首次充放电曲线图。可容量（）罔复合材料硅，碳和

6、硅碳碳纳米管的首次充放电曲线举晷忙舳看出复合材料硅，碳碳纳米管的首次充放电容量明显高于复合材料硅碳说明在复合材料中加人碳纳米管后容量得到了提高。这是冈为具有优良导电性的碳纳米管在无定形碳基体内形成了网状结构包裹着纳米硅颗粒。增强了硅在循环过程中的电子接触，使更多的硅保持活性，从而明显提高了复合材料的容量。从图中还可看出在处两种复合材料均出现一个明显的放电平台，这是由于在首次充放电过程中形成了膜嗍。圈为裂解碳、碳纳米管、硅碳以及硅碳，碳纳米管复合材料的循环曲线图。可看出，裂解碳和碳纳米管单独做负极时的容量都较低。但是循环性能都非常好，个循环后，碳的放电比容量几乎没有衰减，仍保持在。另外，碳纳米管

7、也同样显示出良好的循环性能。对于硅碳复合材料作为负极可明显看出复合材料的容量要明显高于裂解碳和碳纳米管，说明复合材料明显改善了硅材料的循环性能。但同时也可看出复合材料硅碳的容量经次循环后仍有一定的衰减。而对于复合材料硅碳碳纳米管则表现出更高的容量和更优异的循环性能其首次放电容量高达毋与复合材料硅碳相比首次库仑效率从提高到；经次充放电循环后其可逆容量仍高达。循环次戢隅碳、碳纳米管、硅，碳、硅硪，碳纳术管的循环曲线图而。，犯犯综上由于硅和碳纳米管都属于纳米材料很容易出现团聚用球磨法进行分散效果较差另外由于沥青的粘度很大。用球磨法进行混合效果也比较差。因此本文采用先把纳米硅和碳纳米管进行超声波分散这

8、样有助于减少材料的团聚，然后再和溶于甲苯的沥青溶液进行混合搅拌，这种工艺可使混合的均匀性得到保证。另外本文对碳纳米管在混合前进行了酸侵蚀处理，处理后的碳纳米管长度变短也便于分散，同时提高了碳纳米管（下转第页】热加工工艺年第卷第期唧咖啪御伽姗枷枷万方数据材料热处理技术仃年月（上接第页）的嵌锂容量，也就增加了复合材料硅碳碳纳米管的比容量。复合材料经高温烧结后再进一步球磨处理，则增强了复合材料的均匀性。均匀分布在碳基体内形成了网状结构的碳纳米管由于其具有很高的弹性模量可增强复合材料的强度，使复合材料在充放电循环过程中能保持较好的稳定形貌从而显著改善复合材料的电化学性能。结论通过裂解沥青混合纳米硅和碳

9、纳米管得到了一种新型硅碳碳纳米管复合负极材料。碳纳米管包裹着纳米硅形成网状结构，且均匀分散在碳基体内。与硅碳复合材料相比，硅碳碳纳米管复合材料的容量和循环性能均得到了一定的提高碳纳米管优良的弹性使复合材料在充放电过程中能保持较好的稳定形貌。参考文献：【】唐致远阮艳莉宋全生，等撖榄石哦复合正援材料的合成及其电化学性能研究】高等学校化学学报，（）：【】卢俊彪唐子龙，乐斌等锂离子电池正撅材料的结构与电化学性能的研究【】高等学校化学学报（）：【】锄伽，羽咖嘶哥叩耐砌，啪幅“一毗甜鹤【】【】【】【】卜【】【】叨佻，：粕。鹤柚哪刚黔【】：，趾，抓油啪髓她血岫喇【】盯骼，：“。，“仃锄船，乎而邪蛐也哪伽一髂

10、【】盱鼯，（）：岫，柚，“，“奴曲锄昨骼衄柚矗量岫喇【】，艏，（）：鹊，。鹤卸鹳【】朗。：蔡羽，赵胜利聚丙烯酸络合法制备掺铝锰酸锂纳米粉体【】热加工艺，（）：一刘文刚，许云华任冰，等掺杂“。锂离子电池正极材料的合成和电化学性能阴热加工艺，簧）：动印时，、咖。啪疏扑呦呻彻丽嚣【】卸咖，：李明齐硅石墨碳碳纳米管复合负极材料的电化学性能叨电源技术，（）：陈永，刘畅，会明纳米碳管的超声短切处理【碳素技术，（）：林克芝化学处理对多壁碳纳米管电化学储锂性能的影响【】电源技术，（）：田斟，万方数据 硅/碳/碳纳米管复合负极材料的电化学性能作者：栾振兴， 许云华， 周志斌， 燕映霖， LUAN Zhenxin

11、g， XU Yunhua， ZHOU Zhibin， YAN Yinglin作者单位：西安建筑科技大学材料科学与工程学院,陕西西安,710055刊名：热加工工艺 英文刊名：Hot Working Technology年，卷(期：2011,40(4被引用次数：1次参考文献(14条1. 唐致远;阮艳莉;宋全生 橄榄石LiFePO4复合正极材料的合成及其电化学性能研究期刊论文-高等学校化学学报 2005(102. 卢俊彪;唐子龙;乐斌 锂离子电池正极材料LiFePO4的结构与电化学性能的研究期刊论文-高等学校化学学报 2005(113. Amezawa K;Yamamoto N;Tomii Y Co

12、mposite anode material of silicon/graphite/carbon nanotubes for Li-ion batteries外文期刊 1998(64. Yang J;Winter M;Besenhard J O Small particle size multiphase Li-alloy anodes for lithium-ionbatteries外文期刊1996(1/45. Besenhard J O;Yung J;Winter M Will advanced lithiumalloy anodes have a chance in lithium-i

13、on batteries外文期刊 19976. Li M Q;Qu M Z;He X Y Electrochemical properties of Li2ZrO3-coated silicon/graphite/carbon composite as anode materialforlithium ion batteries外文期刊 2009(027. Sun Z B;Wang X D;Li X P Electrochemical properties of melt-spun Al-Si-Mn alloy anodes for lithium-ion batteries外文期刊 2008(018. Thess A;Lee R;Nikolaev P H Crystalline ropes of metallic carbon nanotubes外文期刊 19969. 蔡羽;赵胜利 聚丙烯酸络合法制备掺铝锰酸锂纳米粉体期刊论文-热加工工艺 2009(1810. 刘文刚;许云华;任冰 Al掺杂Li2MnSiO4锂离子电池正极材料的合成和电化学性能期刊论文-热加工工艺 2010(0211. Zhou Z B High capacity Si/DC/MWCNTs nano-composite anode materi