多孔硅碳复合材料的结构设计与储锂性能研究

To solve the volume expansion problem of silicon based anodes during lithiation/delithiation process, this project presents a novel synthesis process for nano-porous silicon-carbon composite with silica-carbon composite aerogel as precursor via magnesiothermic reduction technique. The obtained silicon-carbon composite inherits the nano-porous structure of aerogel, and the carbon component disperses uniformly in the framework of composite, which promote the cyclestability of the composite. For optimal regulation of nanostructure of.silicon-carbon composite, gel formations of silica sol, carbon sol and mixed sol, precursor morphology influences of magnesiothermic reduction process are all intensively researched. Based on the results, the influence mechanism of gel formation of mixed sol and the reaction mechanism of magnesium steam thermal reduction technique will be established. The novel preparation of nano-porous silicon based anode materials with self-owned intellectual property will be formed, which can provide scientific support for further development of silicon based anode materials for lithium ion batteries.

为了解决硅负极在脱嵌锂过程中的体积膨胀问题，本项目提出以二氧化硅-碳复合气凝胶为前躯体，采用镁热还原技术制备纳米多孔硅-碳复合材料。合成的硅-碳复合材料保留了气凝胶的纳米多孔结构，碳组分均匀分布在骨架中，有利于提高材料的循环稳定性。为了实现硅-碳复合材料纳米结构的优化调控，拟对二氧化硅溶胶和碳溶胶的成胶规律、混合溶胶的成胶影响因素和镁热还原工艺对前躯体形貌的作用规律开展深入细致的研究，建立混合溶胶成胶作用规律和镁蒸汽热还原反应的作用机理，形成具有自主知识产权的纳米多孔硅基负极材料的制备新方法，为硅基负极材料的发展提供重要的科学理论支撑。

本项目面向锂离子动力电池高容量负极材料研发领域，目的是通过设计合成具有纳米连通孔特性的硅碳复合材料，解决硅基负极存在的循环稳定性差和电子导电率低的问题，促进硅基负极材料的实用化发展。本项目的研究核心是纳米多孔硅碳复合材料的设计合成，包括两个重点：（1）二元溶胶的凝胶过程规律和常压干燥制备优化；（2）镁蒸气热还原反应的装置研发和过程研究。.本项目借鉴气凝胶的纳米均匀连通孔结构，通过合成二氧化硅-碳复合气凝胶实现硅碳组分的纳米均匀弥散，通过镁蒸气热还原反应的设计实现纳米连通孔的最大保留，开发出具有纳米多孔特性的硅碳复合材料。针对项目核心难点之一的复合溶胶均一凝胶过程研究，提出柠檬酸络合物添加剂，通过将胶体型sol-gel过程向胶体-络合物型sol-gel过程转变，引导异质胶粒缩聚反应形成均一复合凝胶。通过镁蒸气热还原反应器(双层板式)设计，将镁热反应从固固反应向气固反应转变，实现气凝胶纳米多孔结构的保留，制备成纳米连通孔的硅碳复合材料，显示出优异的电化学性能，稳定循环100圈可逆容量仍有1433mAhg-1。这种具有自主知识产权的纳米多孔硅基负极材料的制备新方法，为硅基负极材料的发展提供重要的科学理论支撑。.在二元二氧化硅-碳复合气凝胶的基础上，进一步设计开发新型硅基负极材料。通过复合气凝胶的一步碳热还原成功制备SiOx/C复合材料，具有较高的循环比容量和优异的循环稳定性(100圈循环可逆容量仍有830mAhg-1)，这种低成本和简单的制备工艺有望促进硅基材料的实用化发展。