微乳液可控制备球形多孔硅/碳复合材料及储锂性能研究

Among all the anode materials, silicon is one of the most attractive anode materials for lithium-ion batteries because of its highest capacity of 4200 mAh g-1. However, the practical utilization of Si as anode material is hindered by its huge volume changes induced by the lithium-ion insertion and extraction processes. In addition, the low electrical conductivity of pristine Si and the difficulty in the formation of stable solid-electrolyte interface (SEI) films have also restrained the commercialization of Si anode material. Based on the current problems of Si-based anode, we proposed a new strategy of using microemulsion approach for controllable synthesizing porous Si/C microspheres. The porous silica clusters are firstly formed by controlling the interface reaction of water-in-oil emulsions phase. Then the porous Si microspheres are successfully synthesized by low temperature magnesiothermic reduction, which are expected to preserve the morphology of porous silica clusters. To further improve the electrical conductivity of porous Si, the Si/C microspheres are synthesized by wrapping the porous Si microspheres with polydopamine and then thermal reduction under Ar at high temperature. The fabrication method, morphology, structure and the anode properties of Si/C microspheres will be systematically inverstigated. The project will offer an effective and general approach to solve the agglomeration problems, improve the conductivity, suppress the volume change and ameliorate SEI film stability of nano Si-based anode materials, thus having important scientific significance for the commercial application.

锂离子电池负极材料中，硅具有最高的理论储锂容量，是最有希望的高性能锂离子电池负极材料之一。然而硅在充放电过程中存在严重的体积效应，较低的电子电导率和难于形成稳定的固体电解质膜等缺点，限制了硅材料的实际应用。针对硅基负极目前存在的问题，本项目提出“微乳液可控制备不同粒径的球形多孔硅/碳复合负极材料”。利用微乳液技术借助表面活性剂调控水油相界面作用形成不同粒径的球形多孔二氧化硅球簇，再通过镁热还原和碳包覆等手段制备球形多孔硅/碳复合负极材料。系统研究所制备的复合材料的结构组成、微观形貌、构效关系与其电化学性能的影响规律，同时与物理方法混合制备的纳米硅/碳复合材料的电化学性能进行比较。通过研究制备工艺参数-材料微观结构-电化学性能之间的关系，本项目力求实现材料形貌的可控合成，为解决纳米硅材料团聚严重、振实密度低、电导率低、体积膨胀大和不稳定的固体电解质界面膜等问题提供新途径。

硅具有最高的理论储锂容量，是最有希望的高性能锂离子电池负极材料之一。然而硅在充放电过程中存在严重的体积效应，较低的电子电导率和难于形成稳定的固体电解质膜等缺点，限制了硅材料的实际应用。针对硅基负极存在的问题，本项目提出了微乳液可控制备球形多孔硅/碳复合负极材料，利用微乳液技术借助表面活性剂调控水油相界面作用形成不同粒径的球形多孔二氧化硅球簇；再通过镁热还原和碳包覆等手段制备球形多孔硅基复合负极材料；通过研究制备工艺参数-材料微观结构-电化学性能之间的关系，为提高硅基负极材料振实密度，解决硅基负极团聚严重、电导率低、体积膨胀大和不稳定的固体电解质界面膜等问题提高新的途径。实验取得如下重要结果：探明了微乳液技术水油比，表面活性剂用量，活性物质含量对合成微米级球形颗粒的影响，其影响关系为：表面活性剂用量大于水油比大于活性物质含量。通过优化镁粉比例，热缓蚀剂，镁热反应温度和时间，制备出形貌较好的球形微米多孔硅材料，获得了从微米二氧化硅球转化制备微米硅球的的优化条件。系统研究了球形多孔硅复合材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能。结果表明，多孔硅负极的电化学性能与多孔硅的分级多孔结构紧密联系。通过微乳液技术将纳米颗粒组装为微米颗粒，在保留较大颗粒比表面积的同时大大提高了复合材料的振实密度，纳米硅颗粒之间形成的孔隙为硅负极在循环过程中的体积膨胀预留了空间，保持了颗粒电化学过程中的完整。镁热还原技术使得组装的纳米二氧化硅颗粒能形成更细的纳米硅晶，弥补了微米级颗粒离子扩散和电子传输不足的缺陷，因此该微米硅复合材料具有稳定的电化学性能。在200 mAg-1电流密度下，200次后可逆容量为845 mAh g-1。且在1 Ag-1高电流密度下仍具有初始容量97%的容量保持率。本项目结果解决了纳米硅材料团聚严重、振实密度低、电导率低、体积膨胀大和不稳定的固体电解质界面膜等问题，为高比容量的微米级硅负极材料的实用化应用提供了借鉴。