论文部分内容阅读
近年来，迅速减少的化石燃料储量、持续攀升的油价以及对便携式电子设备的需求加速了人们对锂离子二次电池的研究。三元锂化物材料Li-Al-Si具有比容量高(～1000 mAh/g)、充放电平台电压适中、体积膨胀较小、成本低廉、环境友好等优点，是一种潜在的锂离子电池负极材料。但是，目前有关Li-Al-Si电化学储锂性能的报道并不多见，这主要是因为Li、Al、Si之间巨大的熔点差异(～1230℃)以及Li的易挥发性导致传统熔炼技术制备Li-Al-Si三元合金较为困难所致。本文在综述Li-Al-Si材料的研究进展基础上，针对其制备困难的问题，以LiH、Al和Si为原材料，尝试用氢驱动的化学反应(HDCR)法制备Li-Al-Si三元合金，系统研究所得产物的形貌、结构及其电化学储锂性能，并进一步通过高能球磨(High Energy Ball Milling)法来改善其电化学性能。 通过LiH、Al和Si之间的热化学反应，成功制备出了LiAlSi、Li5AlSi2和Li7Al3Si4样品。研究发现，与传统熔炼法相比，氢驱动化学反应法制备的LiAlSi、Li5AlSi2的纯度较高，电化学性能得到明显改善。所制备的LiAlSi、Li5AlSi2和Li7Al3Si4样品的最大充电容量分别为1051、932和845 mAh/g，最大放电容量分别为1074、1080和997 mAh/g。30个循环后的最大充电容量分别衰减为795、446和448 mAh/g，最大放电容量分别衰减为801、456和445 mAh/g，放电容量保持率分别为75、42和45％左右。 LiAlSi负极材料的电化学脱嵌锂过程为两步反应，活性脱嵌锂相为Li-Al-Si三元合金，有效抑制了脱嵌锂过程的体积膨胀。Li5AlSi2负极材料的电化学脱嵌锂的主要过程为单步反应，经过一个脱嵌锂循环后的活性脱嵌锂相为非晶Li-Al和Li-Si合金，两相区的出现会导致晶格不匹配性的增加，从而样品循环时的体积效应明显，最终表现为较快速的循环容量衰退。Li7Al3Si4负极材料的脱嵌锂过程则主要呈现两步反应。进一步球磨可以改变样品的相组成和颗粒尺寸，从而改善其电化学性能。LiAlSi、Li5AlSi2和Li7Al3Si4分别经过24、8和12h球磨后，最大充电容量分别为1227、1075和850mAh/g，最大放电容量分别为1255、1236和968mAh/g。30个循环后的最大充电容量分别衰减为932、636和551mAh/g，最大放电容量分别衰减为936、637和561mAh/g，放电容量保持率分别为75、52和58％左右。分析发现，球磨样品规则的颗粒形貌和细小的颗粒尺寸有效减弱了循环中的体积效应，是其电化学循环性能改善的主要原因之一。