生物遗态多孔硅/碳复合材料的原位合成及储锂性能研究

Silicon is the anode material of lithium-ion battery with highest capacity in nature，but its cycling performance is poor resulting from its volume change and low conductivity. In this project, to improve the cycling performance of silicon material, modification is made by its porousification and in-situ carbon coating. With resource-abundant and environmentally friendly natural plant material-rice husk as both silicon and carbon sources, biomorphic porous silicon/carbon composites with low cost,high conductivity and high porosity,are controllable prepared by in-situ magnesiothermic reduction of silica in it,and their electrochemical performances are studied in depth.The research contents are: (1)the .forming mechanisms of the biomorphic porous silicon/carbon composites and the effect of magnesiothermic reduction parameters on the composition and structure of the composites;(2)the effect of their pore size distribution and porosity,the carbon content, and the interface between silicon and carbon on the electrochemical performances of the biomorphic porous silicon/carbon composites.From the above study,the effect of the composition and structural change of biomorphic porous silicon/carbon composites on the electrochemical performances of the materials are revealed,and porous silicon/carbon composites with high electrochemical performances are synthesized. From the studies in this project,new ways and methods will be provided for the synthesis of the new plant-based porous silicon/carbon composites and for the developing new composites as the lithium-ion secondary anode .materials.

硅是自然界中具有最高储锂容量的电极材料,但存在因体积效应大、电导率低而导致容量衰减快的缺点。为了改善循环性能，本项目从硅的多孔化和原位碳包覆方向对其进行改性。拟以来源丰富、环境友好的天然植物原料（稻壳）同时作为硅源和碳源，发展镁热还原法、原位可控制备低成本、高导电性、高孔容的新型多孔硅/碳生物遗态材料，并对其电化学性能进行深入研究。主要包括（1）生物遗态多孔硅/碳复合材料的形成机理及镁热还原工艺参数对材料组成和结构的影响；(2) 生物遗态多孔硅/碳复合材料中硅的孔隙性质（孔径分布和孔隙率）、碳含量、以及硅/碳界面对材料电化学性能的影响。通过上述研究，揭示生物遗态多孔硅/碳复合材料的组成和微结构变化对电池性能的影响，制备出满足较高性能锂离子电池的硅/碳复合材料。本项目的研究将为探索新型植物基多孔硅/碳复合材料的合成方法、开发新型二次锂离子电池复合负极材料提供新思路和新方法。

清洁能源需求和环境保护、以及移动通讯和电动工具，尤其是电动汽车的发展，对锂离子电池储能材料提出了更高的要求。开发低成本、高能量密度和功率密度的电极材料成为迫切需要。作为了作为锂离子电池负极材料，硅基材料因具有较高的容量和廉价的优势，具有很好的应用前景。. 另一方面，作为廉价、可持续发展的农业副产品，稻壳的高附加值利用具有重要意义。稻壳同时含有作为负极材料的硅源和碳源，具有作为高容量负极材料原料的前景；而作为制硅的冶金方法，镁热还原具有操作温度低的明显优势，发展前景广阔。.本项目以稻壳为原料，通过空气氧化制备氧化稻壳，然后采用镁热还原法制备了多孔硅/碳复合材料，探讨了其作为锂离子电池负极材料电化学性能。研究了镁热还原工艺（温度、时间和物料比等）对还原产物组成和多孔硅/碳复合材料孔隙结构的影响，并在此基础上探讨了镁热还原机理和多孔硅/碳复合材料的孔隙形成机理。考察了多孔硅/碳复合材料的孔隙性质对其电化学性能的影响规律。结果表明，氧化稻壳在镁热还原温度为550-700度之间，通过调节镁和二氧化硅比例，可以获得多孔硅/碳复合材料。得到的多孔硅材料为介孔材料，介孔的形成主要是源于镁热还原产物氧化镁的浸出；对于多孔硅/碳复合材料，其中的硅为纳米（<5nm）的晶粒，复合材料的孔隙主要是由其中的碳（稻壳氧化）形成的介孔。稻壳500度氧化和镁热还原得到的多孔硅，比表面积、孔容、孔径和壁厚分别为45.2 m2/g 、0.31 cm3/g、5.6-8 nm ， 2.3-7.9 nm，首次充电容量1479.8 mAh/g，50次循环后容量为907 mAh/g，容量保持率为61.3 %。稻壳镁热还原制备的含碳8 wt%%多孔硅/碳复合材料，孔隙主要为介孔（1.3～29.4 nm），首次充电容量为758.5 mAh/g，30个循环后，充电容量保持率为78.7 %。.因此，作为廉价丰富同时含有硅源和碳源的生物质资源，以稻壳制备硅/碳复合材料，作为锂离子电池负极材料，不但具有重要的环保意义，也具有很高的经济意义，为农业废弃物的高附加值利用提供了一种新的方向。