高容量材料Si@C_PZS在锂离子电池中的储锂性能研究 电化学（中英文）    2020, 26 (1): 121-129.   DOI:10.13208/j.electrochem.190226

表1 与具有核壳结构的Si/C复合材料的性能对比

正文中引用本图/表的段落

为了测试具有不同厚度碳层样品的储锂性能,对Si@C_{PZS 50}、Si@C_{PZS 100}和Si@C_{PZS 150}三个样品进行了系统的电化学性能测试. 图4(A)为样品Si@C_{PZS 100}的循环伏安曲线(CV)图,扫描区间0.01 V ~ 1.50 V. 在首圈扫描中,1.1 V和0.55 V处出现两个特征峰,这两个峰在后来的循环过程中消失,可能为无定型碳表面官能团与 Li+的不可逆反应和SEI膜的形成过程[17]. 0.01 V处尖锐的峰代表着锂离子嵌入晶体硅形成Li1₅Si₄合金的过程[18]. 在阳极过程中,0.32 V和0.51 V处的峰代表着Li_xSi的脱锂过程[19]. 随着扫描圈数的增加,峰的强度逐渐增大,说明在循环过程中电极材料逐渐被活化. 图4(B)为三个样品的首次充放电曲线,样品Si@C_{PZS 50}、Si@C_{PZS 100}、Si@C_{PZS 150}的首次放电比容量（按活性物质总质量计算得到）分别为3081 mAh·g-1、2643.3 mAh·g-1和2221.4 mAh·g-1,首次库仑效率分别为84.4%、80.6%和78.0%. 可见,随着碳含量的增加,Si@C_PZS复合材料的比容量呈降低的趋势. 另外,电极材料的首次库仑效率随着PZS衍生碳含量的提高而逐步降低,这主要是由于碳表面官能团与电解液的不可逆反应造成的,并且,一般认为材料的比表面积越大,形成的SEI膜越多,首次库仑效率也就越低,图2(C)的比表面测试结果也证明了这一点.

通过与已有文献报道的其他硅碳复合材料相比,本文制备的Si@C_{PZS 100}电极材料的性能处于较高水平(如表1所示). Si@C_{PZS 100}的高比容量、长循环寿命以及较好的倍率性能得益于外层包覆的微孔碳. 碳层均匀地包覆在硅颗粒表面,避免硅与电解液直接接触,减少了副反应的发生并缓冲了硅的体积效应;碳层直接与硅表面接触,增强了Si/C之间的结合强度,可以更有效地保持硅在循环过程中的结构完整;另外,PZS聚合物热分解产生的微孔结构缩短了离子传输路径,有利于锂离子快速通过碳层与内部的硅发生反应,进而提高材料的倍率性能[19].

本文的其它图/表

• 图1  Si@CPZS的制备示意图
• 图2  (A) Si@C_{PZS 50}、Si@C_{PZS 100}和Si@C_{PZS 150} 的XRD图谱. 插图为碳特征峰所在位置的放大图;(B) Si@C_{PZS 50}、Si@C_{PZS 100}和Si@C_{PZS 150}的TG曲线;(C)Si@C_{PZS 50}、Si@C_{PZS 100}、Si@C_{PZS 150}与Si纳米颗粒的N₂等温吸脱附曲线;(D) Si@C_{PZS 100}与Si纳米颗粒的孔径分布曲线. 插图为大图中方框位置的放大图.
• 图3  (A,D,G,J) Si@C_{PZS 50}、(B,E,H,K) Si@C_{PZS 100}和(C,F,I,L) Si@C_{PZS 150}的光学照片、SEM图像和TEM图像
• 图4  (A) Si@C_{PZS 100} 的CV图,扫描速率0.2 mV·s^-1;Si@C_{PZS 50}、Si@C_{PZS 100}和Si@C_{PZS 150}的(B)充放电曲线、(C)循环性能、(D)容量保持率、(E)倍率性能
• 图5  (A),(B),(C) Si@C_{PZS 50}电极循环后的SEM图像;(D),(E),(F) Si@C_{PZS 100}电极循环后的SEM图像;(G),(H),(I) Si@C_{PZS 150}电极循环后的SEM图像.
• 图6  Si@C_{PZS 100}添加量为10%、20%和30%时石墨基电极的循环性能(A)和倍率性能(B)