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高容量材料Si@CPZS在锂离子电池中的储锂性能研究
张庆暖, 张芳芳, 李红霞, 杨兵军, 李小成, 杨娟
电化学(中英文)    2020, 26 (1): 121-129.   DOI:10.13208/j.electrochem.190226
摘要   (1338 HTML44 PDF(pc) (1126KB)(700)  

本文通过简单的溶胶-凝胶法以聚环三磷腈-4,4'-磺酰基二苯酚聚合物(PZS)为碳源通过在硅纳米颗粒表面包覆碳层,成功构筑了核壳结构的Si@C复合材料. 通过对不同厚度碳层包覆的Si@CPZS的储锂性能进行研究,发现当硅表面PZS衍生碳厚度为10 nm时具有最佳的储锂性能,且经过长达290圈的循环后容量仍然保持在940 mAh·g-1,并且利用X射线衍射图谱、热重、比表面孔径测定仪及透射电镜等分析手段对样品进行了结构和组分分析. 本文进一步将Si@CPZS复合材料作为石墨的添加剂,结果表明30%的Si@CPZS复合材料可将石墨负极的容量提升至700 mAh·g-1.



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图5 (A),(B),(C) Si@CPZS 50电极循环后的SEM图像;(D),(E),(F) Si@CPZS 100电极循环后的SEM图像;(G),(H),(I) Si@CPZS 150电极循环后的SEM图像.
正文中引用本图/表的段落
具有不同碳层厚度的三个样品的循环稳定性及容量保持率如图4(C)和(D)所示,在500 mA·g-1的电流密度下,样品Si@CPZS 50具有较差的循环稳定性,经过293圈循环后,比容量为774 mAh·g-1. 样品Si@CPZS 150在循环200圈时具有较高的容量保持率,但是在200圈之后容量衰减有加快的趋势,循环到240圈时,比容量剩余888 mAh·g-1. 而同样的条件下样品Si@CPZS 100经过290圈较长的循环后容量仍然保持940 mAh·g-1,展现了较好的循环稳定性. Si@CPZS 100的循环稳定性优于Si@CPZS 50和Si@CPZS 150的原因在于,当Si表面PZS衍生碳的厚度为10 nm时就已经可以有效地缓解充放电时带来的应力,从而避免结构的破裂和SEI膜的反复生成,保证电极较长的循环稳定性. 图5(A)、(B)、(C)为Si@CPZS 50电极循环后的电极形貌图;图5(D)、(E)、(F)为Si@CPZS 100电极循环后的电极形貌图;图5(G)、(H)、(I)为Si@CPZS 150电极循环后的电极形貌图. 可以看出Si@CPZS 50电极样品有明显的开裂现象,并且电极在经过多次循环之后出现较多孔隙, 说明4 nm较薄的碳层不足以应对Si在脱嵌锂时产生的应力,造成活性物质之间的电接触减弱,导致较差的循环稳定性. Si@CPZS 150电极在宏观上更好的保持了平整的形貌,但其微观上球状颗粒却有结块和开裂的现象,这可能与生成了更多的SEI膜有关. 即,当材料中的衍生碳含量过多时,一方面,使得电极容量降低,另一方面碳增多导致碳中的官能团消耗电解液中的Li+增多,使得电极容量衰减. Si@CPZS 100电极经过较长的循环后,样品有融合的现象,但更微观的结构上活性物质仍然保持球状结构,无破裂和脱落的迹象,仍与集流体保持较好的电接触. 因此,当Si表面PZS衍生碳厚度为10 nm时,复合材料具有最佳的循环性能. 除此之外,Si@CPZS 100还表现出了最佳的倍率性能,如图4(E)所示,当电流密度为0.2 A·g-1、0.5 A·g-1、1 A·g-1、2 A·g-1、3 A·g-1 和5 A·g-1时,Si@CPZS 100的比容量分别为2238.5 mAh·g-1、1839.4 mAh·g-1、1409.4 mAh·g-1、965 mAh·g-1、672.5 mAh·g-1和480.4 mAh·g-1. 当电流密度减小至0.2 A·g-1时,Si@CPZS 100电极展现出1884 mAh·g-1的高比容量,高于Si@CPZS 50和Si@CPZS 150电极.
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