复合材料硅/碳纳米管/介孔碳作为高性能锂离子电池负极材料

摘要

硅在已经研究的锂电池负极材料中,具有已知的最高的理论容量,有望成为非常具有潜力的下一代高性能锂离子电池负极材料.然而,硅负极在脱嵌锂的过程中伴随着严重的体积膨胀(高达300％),导致硅颗粒破碎、粉化,使材料失去活性,最后导致电池容量的损失.此外,硅自身的电导率不高,倍率性能差,严重限制硅在锂电池负极材料的应用.本文采用溶剂挥发诱导自组装合成法,即将硅粉和单壁碳纳米管加入含有F-127模版剂的可溶性酚醛树脂中,溶剂挥发后,通过热聚合和退火过程,在纳米硅粉上原位生长介孔碳三维网络,得到硅/碳纳米管/有序介孔碳复合材料.对该复合材料的充放电性能和电池容量进行了测试,并研究了硅含量对复合材料充放电性能和电池容量的影响.结果表明:在合成的含有17％,41％,58％硅的复合材料中,硅含量为41％时,性能最好,首次放电比容量高达1653mAh g-1,首次库仑效率为70.1％,经过50次充放电循环后可逆容量仍高达918mAh g-1,表现出良好的循环性能及倍率性能.复合材料优异的电化学性能,主要归因于具有良好导电性与弹性的碳纳米管与具有高比表面积,稳定机械性能及均一有序孔道结构的介孔碳构成的网络结构,使该复合材料能有效释放硅体积变化产生的应力,并且由碳纳米管和介孔碳构成的三维立体网络为锂离子和电子的快速传输提供了通道.