高容量硅基纳米电缆结构锂离子电池负极材料的可控制备与性能研究

Silicon is a promising anode material for Li-ion battery. The main disadvantage that restricts its application is that high-capacity Si anode shows large volume change during Li+ insertion and extraction, which causes the structure collapse leading to rapid loss of capacity upon cycling. Many attentions have been paid on how to strain the volume change and matain stable surface of Si. In this work, we start from the viewpoint of structure design and aim to synthesize C-Si composite electrode material with nanocable structure combined with the advantage of thin electrochemical inert layer coating. The synthetic approach is the wet-chemical method which is cheap and proper for large-scale production. Further research is performed on the transportation and storage of lithium ions and electrons in C-Si nanocables. The electrochmeical performances of these C-Si nanocables such as cycling stability and rate performance are also tested. These researches could help establishing a reliable pathway to produce silicon-based anode materials for LIBs with high capacity, uncovering the functions of nanocable structure and surface coating in the improvement of the electrochemical performances of Si, as well as providing useful information for the design and synthesis of silicon-based electrode materials. The development of portable, safe, cheap and environment-friendly LIBs could also be promoted.

硅是非常有前途的锂离子电池负极材料，但其在电化学循环过程中会经历巨大的体积变化导致容量迅速衰减，如何限制其体积膨胀、收缩和稳定其表面，以保持较高的储锂容量，是目前国际上的热点研究课题。本项目从结构设计的角度出发，通过湿化学法制备具有纳米电缆结构（以碳纳米管、碳纤维等为导电内核）和电化学惰性保护层（氧化铝、氧化硅等）包覆的C-Si复合电极材料。研究和探索锂离子、电子在C-Si纳米电缆中的输运与存储特性，考察C-Si纳米电缆及Al2O3等修饰后的C-Si纳米电缆作为锂离子电池负极材料的循环性能和倍率性能。确立一种基于湿化学法的制备具有高容量硅基锂离子电池负极材料的新方法，揭示纳米电缆结构和表面包覆在改进硅的电化学性能方面所起的主要作用，为硅基锂离子电池负极材料的结构设计和性能提升提供理论参考。本项目的实施对制备轻便、安全、廉价、环境友好的锂离子电池具有重要的实际意义。

硅是非常有前途的锂离子电池负极材料，但其在电化学循环过程中会经历巨大的体积变化导致容量迅速衰减，如何限制其体积膨胀、收缩和稳定其表面，以保持较高的储锂容量，是目前国际上的热点研究课题。近期有很多文章报道将Si的尺寸减小至纳米级别可以有效的缓解Si体积膨胀产生的巨大应力，从而防止Si的结构被破坏。但是目前报道的常用来制备纳米Si负极材料的方法仅限于硅烷前驱体的高温热解和激光切割大尺寸Si，这些方法都不可避免涉及到造价昂贵的装置和导致能量的消耗。因此如何开发简易可扩展的制备纳米Si纳米负极材料的方法以获得最优的成本效益是兼具挑战和意义的。.本研究工作主要集中在生物质-谷壳回收再利用、制备锂离子电池硅负极材料上。在“纳-微复合结构”和硅-碳复合”思想的指导下, 开发了适合大规模制备的方法：以低廉的农业废弃物-谷壳为原料，利用镁热还原反应制备了Si纳米颗粒，再将此Si纳米颗粒与碳（C）材料进行复合，利用静电喷雾技术制备了具有纳/微复合结构的硅/氮掺杂碳/碳纳米管（Si/N-doped C/CNT）球，简称SNCC球。其中强健的碳骨架不仅能有效缓解Si的体积膨胀，而且还能提高Si基材料的导电性，从而有效地提升Si基复合材料的电化学性能。该SNCC材料为形貌均一、粒径为3.2±0.8 μm，具有纳/微复合结构的微球。该SNCC球作为锂离子电池负极材料展示了优异的电化学性能：在0.5 A g-1的电流密度下，首圈充电容量为1380 mA h g-1，100圈循环后仍能保持1031 mA h g-1。其中具有纳/微复合结构的SNCC球的制备方法能够为其它具有相似结构的材料起到借鉴的作用，且SNCC球优异的电化学性能使之有望成为新一代锂离子电池的负极材料。同时，利用农业废弃物的回收再利用为高附加值的能源材料，对实现能源的可持续发展具有重要意义。