硅基負極在鋰離子電池中的應用研究.pdf

1、Si負極材料因為具有最大的理論比容量而得到了研究人員的廣泛關注。Si材料在作為鋰離子電池負極材料時主要面臨的問題是：充放電過程中巨大的體積變化和較差的導電性。新型結(jié)構(gòu)（如中空結(jié)構(gòu)、核殼結(jié)構(gòu)等）的納米Si負極材料在充放電過程中能夠緩沖Si材料巨大的體積膨脹；將Si材料與導電性能好的碳材料或金屬材料相復合可以提高Si負極材料的導電性能。
　　大自然中的生物體具有各種各樣的顯微結(jié)構(gòu)，而大多數(shù)的植物中都含有硅元素，主要表現(xiàn)為片狀、柱狀、纖

2、維狀等不同形態(tài)的二氧化硅納米結(jié)構(gòu)體。在本課題中，選取了竹葉和茅草作為納米Si負極材料的來源。在空氣氣氛下，將HCl處理后的竹葉和茅草在700℃下熱處理3h后可得到白色的納米生物SiO2。對兩種植物體進行的熱重分析結(jié)果顯示，竹葉和茅草中所含有的SiO2質(zhì)量百分含量分別為14％和6.3%。在氬氣氣氛下，對生物納米SiO2材料在700℃下鎂熱還原3h，然后將鎂熱還原后的樣品分別用HCl和HF處理，經(jīng)水洗、醇洗后，得到納米生物Si負極材料。電化

3、學性能測試結(jié)果顯示，在100mA·g-1的電流密度下，竹葉納米生物Si負極材料的首次充放電比容量分別為1636mAh·g-1和2337mAh·g-1，初始庫倫效率為70%，但經(jīng)過100次循環(huán)后比容量僅剩150mAh·g-1，說明直接從竹葉中提取的納米Si材料在作為鋰離子電池負極材料時并不理想。茅草納米生物Si負極材料的首次充放電比容量分別為2114mAh·g-1和2851mAh·g-1，初始庫倫效率為74%，經(jīng)過22次循環(huán)后比容量減小到

4、200mAh·g-1，說明從茅草中提取出的納米Si材料同樣不能直接用于鋰離子電池負極材料。
　　實驗結(jié)果表明，從竹葉和茅草中提取的納米Si材料在作為鋰離子電池負極材料時循環(huán)穩(wěn)定性比較差。經(jīng)過進一步的研究，在對竹葉進行熱處理時可以保留一部分生物碳，經(jīng)過不同溫度的碳化處理后，首先得到具有不同含碳量的竹葉納米SiO2/C復合材料，然后通過鎂熱還原法得到竹葉納米生物Si/C復合負極材料。電化學性能測試結(jié)果顯示，500℃熱處理得到的竹葉納米

5、生物Si/C復合負極材料的電化學性能最好，在100mA·g-1的電流密度下，首次放電比容量為1206mAh·g-1，經(jīng)過100次循環(huán)后的比容量為350mAh·g-1。保留竹葉生物碳后循環(huán)穩(wěn)定性得到了明顯提高。
　　通過溶膠凝膠法可以制備出具有不同納米結(jié)構(gòu)的SiO2材料。將SiO2溶膠與不同含量的糊精溶液混合，攪拌均勻后經(jīng)過干燥、碳化得到具有不同碳含量的納米SiO2/C復合材料，經(jīng)過鎂熱還原處理后得到納米Si/C復合負極材料。電化學