鋰離子電池SiO/C負極材料制備及電化學性能

王建濤， 王 耀， 黃 斌， 楊娟玉， 盧世剛

(北京有色金屬研究總院動力電池研究中心，北京100088)

理論比容量僅有372 mAh/g的商品化碳素類負極材料已不能滿足當前電動汽車、電動工具、智能電網、分布式能源系統、航空航天和國防等重要戰略領域中所需要的高比能量、長壽命鋰離子電池的需求[1-3]。尋找替代碳的高比容量、長壽命負極材料已成為推動高性能鋰離子電池蓬勃發展的一個重要途徑[4]。在各種非碳類負極材料中，具有高的理論儲鋰比容量(4 200 mAh/g)，低的脫鋰電壓(0.37 Vvs.Li/Li+)，豐富儲量(占地殼總質量的25.7%，僅次于第一位的氧)及環境友好的硅基材料吸引了越來越多研究者的目光，它是一種非常有發展前途的鋰離子電池負極材料[5]。然而，晶體硅在嵌、脫鋰過程中的體積變化高達310%，如此大的體積變化會造成材料結構的破壞和機械粉化，從而導致活性材料之間以及活性材料與集流體之間的分離，使其失去電接觸，致使容量衰減，循環性能惡化；另外，晶體硅的低電導率限制其倍率性能。因此，在獲得高比容量的同時，提高硅基負極料的循環穩定性和倍率性能是鋰離子電池中硅基負極的研究重點[6-7]。

針對硅基負極在應用中的問題，目前研究者提出了兩種解決方法：通過晶體硅材料的納米化和復合化的方式來改善硅基負極材料本身的電化學性質；通過改善硅基材料在鋰離子電池中的應用環境和構造方式來提高材料的電化學性能[8-9]。本文通過行星球磨和高溫熱解工藝制備了一系列SiO/C復合負極材料，電化學測試表明，具有較高的比容量和相對穩定的循環性能使這類復合材料有望規模化地應用于鋰離子電池。

1 實驗

1.1 復合材料的制備

在氬氣氣氛下，將一定配比的一氧化硅(99.99%)，葡萄糖以及型號為AGP-8的石墨按2∶1球料比加入到裝有鋯球的聚四氟乙烯罐中經正、反轉行星球磨10 h(轉速為500 r/min)，得到混合前驅物A。混合前驅物A在氬氣氣氛保護下，經管式真空爐在不同的溫度(750、950、1 250和1 350℃)下進行高溫熱處理2 h(升溫速度為10℃/min)，冷卻后得產物B。產物B經研磨、過篩后得到一系列SiO/C復合材料的產物。

1.2 復合材料物相及形貌表征

采用馬爾文3000激光粒度測試儀測試復合材料的粒度分布；采用X射線衍射儀(XRD)分析材料的物相組成，掃描范圍為10°～90°；采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察復合材料的微觀形貌，同時利用能量色散X射線光譜圖來分析材料中各元素的比例。

1.3 復合材料電極制備及電化學性能測試

將活性材料(SiO、不同溫度下得到的SiO/C復合材料)、黏結劑(PVDF)和乙炔黑按70∶15∶15的質量比在N-甲基吡咯烷酮溶劑中充分混合均勻，將所得的黏稠漿料涂于銅箔上，80℃真空干燥除去溶劑和水分，將薄膜沖壓和裁剪成直徑為14 mm的圓形極片，作為工作電極。在充滿氬氣的手套箱中，以金屬鋰片作為對電極，Celgard 2400為隔膜，1 mol/L的LiPF6/(EC+EMC+DMC)(體積比為1∶1∶1)為電解液，組裝成扣式半電池。在電化學測試系統(Land CT2100A)上進行恒流充放電性能測試。電流密度為100 mA/g，電壓范圍為0.05～2.5 V。

2 結果與討論

2.1 材料的形貌及物相分析

圖1為經750℃熱處理后制備的SiO/C復合材料的形貌、粒徑和組分圖。圖1(a)、1(b)為復合材料的SEM圖片，SiO/C復合材料的顆粒粒度相對比較均勻；圖1(c)的粒徑測試曲線顯示粒徑大小比較均勻地分布在1～20 μm，且分布峰的峰寬較窄，其D10、D50和D90分別為3.29、6.05和10.2 μm；圖1(d)為SiO/C復合材料的能量色散X射線光譜圖(EDX)，復合材料中Si、O和C三種元素的化學計量比約為2∶3∶4，其中Si和O的比為1∶1.5，過多的O可能來自球磨過程中材料的氧化。

圖1 SiO/C復合材料的形貌和組分圖

圖2為原材料SiO以及復合材料SiO/C(750℃)、SiO/C (950℃)、SiO/C(1 250℃)和SiO/C(1 350℃)的XRD圖，原材料SiO的XRD譜圖中基本上沒有硅衍射峰出現，僅在23°附近有一個代表氧化硅的包峰；XRD顯示經750℃處理得到的復合材料中沒有單質硅的衍射峰存在，僅有石墨的衍射峰；當熱處理溫度達到950℃，復合材料中顯現出微弱的晶體硅衍射峰，這說明在950℃的高溫熱處理的情況下，SiO會發生歧化反應生成晶體硅；同時，熱處理溫度升高到1 250℃時，復合材料中晶體硅的衍射峰也表現的相對明顯，且硅衍射峰(28.4°)與石墨衍射峰(26.5°)的強度比為0.2∶1；當熱處理溫度達到1 350℃時，復合材料中晶體硅的衍射峰更加顯著(上述兩個位置的硅和石墨衍射峰強度比變為0.22∶1)，且出現了晶體二氧化硅的衍射峰，這說明1 350℃的高溫處理下，由歧化反應得到的晶體硅的含量增加，同時得到具有晶體結構的二氧化硅。

圖2 原材料SiO及不同燒結溫度下得到的SiO/C復合材料的XRD圖

2.2 復合材料的電化學性能分析

圖3為SiO原材料和750、950和1 350℃下所得到復合材料的前兩次充放電曲線，材料的嵌鋰曲線在0.76 V左右均有一個嵌鋰平臺，這個平臺是材料在嵌鋰過程中固態電解質界面(SEI)膜的形成過程。圖3(a)、3(b)中原材料SiO以及經750℃煅燒所得的SiO/C復合材料的首次嵌鋰曲線在0.1 V以下，脫鋰曲線在0.4～0.6 V都沒有明顯的硅嵌鋰和脫鋰反應過程中所呈現的平臺，這與兩者在XRD測試中沒有發現晶體硅衍射峰的結果符合，另外，750℃的前兩次脫鋰曲線基本重合，顯現出材料較好的脫鋰穩定性；圖3(c)、3(d)中經950℃和1 350℃煅燒后得到復合材料的首次嵌、脫鋰曲線中有晶體硅的合金化和去合金化反應的平臺，這與上述復合材料的XRD譜圖中所顯示出的晶體硅衍射峰的結果相符。

圖4比較了SiO原材料和不同煅燒溫度下得到的SiO/C復合材料的電化學循環性能，SiO原材料的首次庫侖效率和電化學循環性能很差，首次效率僅為52.2%，較高的不可逆比容量主要是由SEI膜以及SiO與鋰離子作用形成Li2O和Li2SiO3所造成的；循環穩定性方面，經過18周循環脫鋰比容量降到95.6 mAh/g(首次1 176 mAh/g)，容量保持率僅為8.12%。與單純的SiO相比，通過添加石墨、750℃煅燒得到的SiO/C復合材料依舊保持著較高的比容量651.8 mAh/g(其中SiO為1 003.8 mAh/g)，同時石墨的引入將材料的首次效率提高到60.7%；但750℃煅燒得到的SiO/C復合材料的循環穩定性不是很理想，經過12周之后容量保持率僅為82.9%，還不能滿足長壽命電池對材料穩定性的需求。與750℃煅燒得到的SiO/C復合材料相比，950、1 250以及1 350℃煅燒得到的SiO/C復合材料雖然前幾周的比容量不穩定(比容量在前幾周循環過程中慢慢提高)，但由于C的引入以及SiO的歧化得到SiO2對晶體硅的體積效應起到緩沖作用，從而使材料具有較好的循環穩定性，與首次比容量相比，經過30周循環后，材料的比容量沒有降低，反而有一些升高。

圖3 電流密度為100 mA/g時復合材料的充放電曲線

圖4 原材料SiO及不同燒結溫度下得到的SiO/C復合材料的循環性能比較

圖4中，比較950、1 250以及1 350℃煅燒所得的三種SiO/C復合材料可知，950℃煅燒的材料隨循環次數的增加，比容量上升較大，這不利于電池材料配對的設計；1 250℃煅燒的材料前幾次的比容量較低，在提高鋰離子電池比能量方面優勢不明顯；而1 350℃煅燒的材料比容量較石墨要高150 mAh/g左右，同時其循環穩定性最好，符合高比能電池對負極材料的要求。1 350℃下所得復合材料所顯示的高性能可能與材料中晶化的SiO2和石墨有關，一方面，晶化的SiO2為材料提供了一個較穩定的骨架，有利于緩沖硅在充放電過程中的體積變化，另一方面，導電性能良好的石墨能夠確保材料顆粒間良好的電接觸，從而減少了由于體積變化而使活性硅與整體電極剝離成為電化學死區的概率，這兩方面保證了復合材料具有較好的電化學循環穩定性。

3 結論

采用高能球磨和熱處理制備的鋰離子電池SiO/C復合負極材料具有良好的循環穩定性能。在1 350℃煅燒得到的材料經過近40周的循環比容量依舊保持在450 mAh/g，其穩定后的容量保持率接近100%。不同的熱處理溫度對材料的組成和物性有一定影響，進而影響材料的電化學性能。SiO原材料充分的歧化和石墨的引入使硅顆粒均勻分散于二氧化硅和碳基體中，這有利于獲得電化學性能優良的SiO/C復合負極材料。

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