硅铝碳复合负极材料的制备及电化学性能研究

• 作 者: 张志文
• 机 构: 华南师范大学
• 出 处: 华南师范大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 锂离子电池 负极材料 第一性原理 高能机械球磨 电化学性能

锂离子电池作为新一代能源电池,因其具有能量密度大,电压高,使用温度范围宽,对环境友好等优势而得到迅速发展。负极材料是锂离子电池的重要组成部分,是决定锂离子电池性能优劣的关键因素之一,其中,硅基负极材料因具有较高的嵌锂容量,成为研究的热点之一。然而,纯硅具有典型的半导体能带结构,导带和价带之间具有较大的能隙,因此材料的导电性能较差,并且纯硅在充放电过程中,体积膨胀率较大,影响电极的循环性能。　　
本文先从理论上采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法计算了纯Si晶格的价电子结构及能带结构,理论计算结构表明,锂原子是嵌入Si晶格中与Si形成Li-Si合金,而不是嵌入晶格的间隙位置。计算了不同Li-Si合金相的嵌锂形成能、体积膨胀率等电化学性能,发现非晶无定形结构对材料的容量和循环性能起主要作用。　　
然后以硅、碳为原材料,通过高能机械球磨的方法制备了Si/C复合电极材料。测试表明:Si/C负极材料的充电比容量达到472mAh/g,放电比容量达到675mAh/g,已经远远高于石墨负极的最大理论比容量(372mAh/g),首次库仑效率达到69.9％,之后的循环效率虽然一直维持在90％以上,但是经过22次循环以后,充电比容量已经降到了418mAh/g左右,循环稳定性较差。　　
因Al具有较好的循环稳定性,为克服Si/C循环稳定性差的缺点,我们引入了铝。利用机械球磨法,制备得到了不同Si粉、Al粉比例的Si-Al/C复合材料。经热处理改善了材料的微观结构,使得Si-Al微颗粒均一、稳定地分布在片状石墨的网络结构中,抑制了活性材料在充放电过程中的体积变化,提高了复合材料的循环稳定性。Si-Al/C首次可逆比容量达到600 mAh/g,循环40次以后效率还保持在97％以上,比容量虽然有所衰减,但是40次循环后仍然保持在500mAh/g以上。Si-Al/C复合材料既保持了Si材料高比容量的特性,由于铝的加入又增加了电极材料的循环稳定性,是一种很有前景的锂离子电池替代负极材料。