锂离子电池硅/碳复合材料的形貌和性能的分析

　　锂离子电池负极材料方面，石墨类碳材料由于其良好的循环稳定性，理想的充放电平台和目前最高的性价比，仍是未来一段时间内锂离子电池的首选负极材料。 但是碳材料的充放电比容量较低，体积比容量更是没有优势，难以满足电动车及混合电动车对电池高容量化的要求。 因此开发具有高比容量、高充放电效率、长循环寿命的新型锂离子电池负极材料极具迫切性。硅基材料因具有最高的理论嵌锂容量（4200mAh/g，远高于目前其它所有的负极材料）而越来越受瞩目。 硅基材料在高程度脱嵌锂条件下，存在严重的体积效应，造成电极的循环稳定性大幅度下降。 针对硅的体积效率，将硅与具有弹性且性能稳定的载体复合，缓冲硅的体积变化，将是提高硅类材料稳定性的有效途径。 已经成功应用于锂离子电池的碳类材料具有相对弹性的结构， 是良好的锂离子和电子导体，本身具有一定的嵌锂容量，其嵌脱锂体积变化小，循环稳定性好。 如果将碳与硅能实现有效的复合， 碳就能缓冲硅嵌脱锂时的体积变化，使整体电极的体积变化控制在合理的范围内， 在保持硅高容量的同时，提高其循环稳定性。本文以分析纯葡萄糖 C6H12O6.H2O， 碳黑 （乙炔黑）， 无定形硅 Si 等为反应原料， 用水热法和高温热解法制备硅/碳复合材料; 通过添加不同的添加剂和改良合成条件来控制颗粒的形貌、粒度及其分布，使其达到优异的电化学性能; 将不同的硅/碳复合材料组装成纽扣电池， 并对不同硅/碳复合材料的电化学性能进行系统研究。 1.实验部分 1.1 实验仪器电热恒温干燥箱 DHG-9202（上海三发科学仪器有限公司）；超声波清洗器 KQ-250B （昆山市超声仪器有限公司）； 分析天平 AUY120 （岛津有限公司）；磁力加热搅拌器（江苏金华仪器厂）; 全纤维真空高温管式炉 GWG-1/1600 型（东南大学自动化仪表研究所）。扫描电子显微镜采用日本 Hitachi 公司 S-3400N II 型号电镜; 蓝电电池测试系统采用 LAND 深圳市六维科技有限公司 SZLAND CT2001C。

　　2.1.1 硅/碳复合材料（一）的形貌分析图 1 为硅/碳复合材料（一）的 SEM 照片。从 SEM 照片中可看出，无定形硅（纳米级）颗粒表面紧密包覆有碳层后分散在无定形相基体中。各个样品的尺寸都比较大，达到微米级，尺寸在 1um-2um。 形貌也比较均一，大多都呈均匀的圆形。 硅颗粒可以最大限度降低反复嵌/脱锂过程中的绝对体积变化。 葡萄糖在高温热解过程中发生了碳化，碳包覆层与硅颗粒间的接触效果较其它通过物理方法制备的硅/碳复合材料更好，这使得硅颗粒在电化学嵌脱锂过程中产生的电荷能够借助于高电导性碳层进行快速传递，克服了由于电阻过大引起的电极容量快速衰减等问题。