纳米纤丝化炭气凝胶/硅复合材料及其电化学性能研究

Silicon used as anodes for lithium-ion battery with the highest theory capacity has a poor cycle performance resulting from severe volume change. An effective approach is to create carbon/silicon composite. Silicon cannot disperse well into carbon matrix or nonuniform carbon-coated both results in poor performance. Ideally, silicon is evenly distributed in the carbon structure and presents the synergistic effect. Nanofibrillated cellulose collected from laminaria and enteromorpha with porous network structure and high electric conductivity is a good carbon matrix used for preparing silicon/carbon composite. The porous network remains unchanged after carbonation process. We propose to prepare a novel silicon/carbon composite via a chemical vapor deposition process. The composite structure and electrochemical performance are discussed. Study the control synthesis of ideal composite. Study the lithium storage mechanism and the contact between structure and electrochemical performance.

硅是目前理论容量最高的锂电池负极材料，但循环时存在体积膨胀的缺点。将碳和硅复合是一种有效解决办法。传统硅碳复合材料缺点是硅在碳基质中分散性不好，二者界面接触较差，影响其性能发挥。理想硅碳复合材料结构是硅均匀分布在碳结构中，因此我们需要设计一种复合结构，发挥硅和碳协同作用。从海藻（如海带、浒苔）中提取的纳米纤丝化纤维素，具有网络连续、电导率高、孔洞微小且相互贯通的特点，是一种理想的用作硅碳复合材料的碳基体。该气凝胶在高温碳化过程中依然可以保持其特有的三维交联结构，所以我们设计在碳化后的气凝胶上沉积硅碳复合物，合成新型炭气凝胶/硅复合材料，研究其电化学性能。探讨多孔网状硅碳复合材料的结构和电化学性能，研究得到理想结构复合材料的可控合成；探讨机理，研究结构与电化学性能之间的关系，建立嵌脱锂模型。本课题的研究，对海藻生物质纤维素材料的应用和锂电池负极材料的研究均有重要意义。

针对项目计划书中提出的传统硅碳复合材料中硅在碳基质中分散性不好的问题，我们通过采用海藻酸作为碳源，改善工艺等多种手段，设计了四种优化结构的硅碳复合材料，实现硅在碳中均匀分布，获得性能优异的硅碳复合材料。另外，对所采用的海藻酸原料做了深入研究，发掘其作为储能材料的结构优势，设计了四种基于海藻酸碳的复合材料用作储能材料。项目研究期间发表英文文章7篇，其中SCI6篇。申请国家发明专利1项。具体研究工作和成果如下：.1、采用化学气相沉积的方法，在海藻碳纤维和碳气凝胶上沉积硅碳，实现了硅碳均匀分散，获得了具有锂电池性能的复合材料。未来可通过进一步改善海藻碳纤维原料中去除钙离子的工艺，获得更高性能的材料。.2、基于项目中创新点提到的海藻酸原材料，我们在研究其离子交换特性后，与纳米硅混合热处理，实现了硅均匀分散在碳气凝胶中，获得天然网状结构硅碳复合材料。.3、在解决本课题中提出的硅碳均匀复合这个关键技术问题时，通过工艺调整，我们设计了三种新型硅碳结构，均获得性能优异的电池材料。首先，将纳米硅做成卵黄结构后再与碳复合，实现了硅在碳基质中的均匀分散，循环稳定在3000圈。其次，设计将有机硅与钛酸复合包碳后，获得硅碳/氧化钛复合材料。另外，采用简单易得的工业微米硅材料，在铜片催化载体对其表面进行碳管包覆，得到海胆状硅碳复合材料。.4、在本课题研究过程中，我们对海藻酸原材料做了深入研究，发现其天然“蛋壳”结构可以与金属离子进行离子交换。利用这个特性，我们对海藻酸研究工作进行拓展，合成了一系列基于海藻酸碳材料的复合材料，包括氧化钼，氧化钴，铁酸钴，钴酸镍。研究了这些复合材料的电化学性能，发现其用作储能材料性能优异。.本项目中硅碳复合材料的研究，选取原料易得，工艺简单，具有应用研究的基础。而研究过程中对海藻酸碳材料在储能方向应用的拓展研究，对未来生物质材料用作储能材料领域具有基础研究意义。