鋰離子電池負(fù)極中一步球磨硅碳材料的應(yīng)用

陳 思， 張 勇， 張雪倩， 呂麗萍

(上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海 200444)

科技社會(huì)的進(jìn)步及傳統(tǒng)化石能源的消耗使人類對(duì)可持續(xù)能源及儲(chǔ)能設(shè)備的需求日益增加，而越來越多的便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車、電源儲(chǔ)能設(shè)備的使用也迫切需要更高能量密度的儲(chǔ)能材料。目前石墨電極作為鋰離子電池的負(fù)極材料被廣泛應(yīng)用，但由于其較低的理論容量（372 mA·h·g-1）而逐漸無法滿足商業(yè)化的發(fā)展要求[1]。因此，尋找下一代高容量、低成本、環(huán)境友好的安全電極材料是目前的迫切需求。

硅有著較高的理論容量（4 200 mA·h·g-1）與安全性[2]，同時(shí)在典型的電解質(zhì)如碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯（ethylene carbonate/diethyl carbonate, EC/DEC）溶劑、LiPF6或者LiBOB中，鋰化硅比鋰化碳更加穩(wěn)定[3-5]。然而，硅基負(fù)極材料在鋰合金化及脫合金過程中存在著嚴(yán)重的體積膨脹問題（300%）[6]，同時(shí)其導(dǎo)電率也較低，在電解質(zhì)中形成的固體電解質(zhì)界面（solid electrolyte interphase, SEI）膜也并不是特別穩(wěn)定。這些缺陷限制了硅基材料在鋰離子電池中的進(jìn)一步拓展及應(yīng)用，因此，近年來，如何改性硅基類材料以達(dá)到更好的材料穩(wěn)定性成了許多項(xiàng)目研究的主要方向[7-8]。

目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道的提高硅基類材料循環(huán)穩(wěn)定性的方法有碳硅復(fù)合[9]，對(duì)硅進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[10]，制備硅基合金材料[11]等，這些方法可以顯著改善硅基材料在用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)的循環(huán)穩(wěn)定性。例如，Yang等[12]將海藻酸鹽黏合劑與硅顆粒表面的鈣離子結(jié)合在一起制備了硅微膠囊，硅微膠囊以羧甲基纖維素（carboxymethyl cellulose，CMC）和丁苯橡膠（styrene butadiene rubber, SBR）黏結(jié)劑在石墨漿中均勻分布，從而得到了雙黏結(jié)劑和異質(zhì)黏結(jié)劑組成的藻膠-石墨包覆電極，其中石墨與硅材料的質(zhì)量比為3:7，該材料在添加的藻膠質(zhì)量達(dá)到10%，電極的電流密度為200 mA·g-1時(shí)，首圈充放電為916～1 062 mA·h·g-1，循環(huán)200 圈后，容量維持在800 mA·h·g-1。上述硅基電極材料在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后雖然循環(huán)穩(wěn)定性有所提高，但其制備方法普遍存在過程復(fù)雜，且需要多步的問題。此外，許多制備方法還會(huì)用到強(qiáng)腐蝕性氫氟酸（hydrogen fluoride, HF）等溶劑[13-14]。因此，在保證其良好的電化學(xué)性能的同時(shí)，尋找一種簡(jiǎn)單快速、綠色環(huán)保，又具有大批量操作特點(diǎn)的制備硅基電極材料的方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)硅基材料在鋰離子電池中的商業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用具有非常重要的實(shí)際意義。球磨法是一種基于機(jī)械力實(shí)現(xiàn)晶格轉(zhuǎn)變或化學(xué)反應(yīng)的方法，該方法具有高效、節(jié)能等特點(diǎn)，是一種有效的制備新材料的方式。目前，暫未見文獻(xiàn)報(bào)道通過球磨方式一步制備硅碳復(fù)合材料并將其用作鋰離子電池負(fù)極材料。

本工作通過簡(jiǎn)單的高能球磨法，利用碳材料的高導(dǎo)電性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，與硅粉混合球磨一步制備Si/C 復(fù)合材料，該產(chǎn)物作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)顯示了較好的電化學(xué)性能，由于碳材料的加入有效改善了硅的導(dǎo)電性及體積膨脹問題，使硅展現(xiàn)原有的高容量的特點(diǎn)，并通過對(duì)比不同硅碳比例合成的產(chǎn)物，進(jìn)一步凸顯了碳材料在硅基復(fù)合材料中的作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

合金硅（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%），購(gòu)于北京興榮源科技有限公司；石墨粉，AR，購(gòu)于上海國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；無水乙醇，AR，購(gòu)于上海國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；N-甲基吡咯烷酮（N-methylpyrrole, NMP），AR，購(gòu)于上海國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；聚偏氟乙烯（polyvinylidene difluoride, PVDF），購(gòu)于南京先鋒納米材料科技有限公司。

行星球磨機(jī)（QM-3SP04，南京晟昌有限公司），電子分析天平（AL204，梅特勒-托利多儀器有限公司），離心機(jī)（KA-1000，上海安亭科學(xué)儀器廠），真空干燥箱（DZF-6030A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司），手套箱（Super，上海米開羅那機(jī)電技術(shù)有限公司），電池測(cè)試儀（CT2001C，武漢金諾電子有限公司），電化學(xué)工作站（660D，上海辰華科學(xué)儀器有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 Si/C 復(fù)合材料的制備

首先，分別稱取一定量的硅粉及石墨粉，其質(zhì)量比分別為3:2 和2:3，充分均勻混合；然后，將不同比例混合的硅碳混合粉末置于球磨罐中，加入10 mm 鐵珠7 顆，6 mm 鐵珠28 顆，將球磨罐封裝后置于行星球磨機(jī)中，以300 r/min 的轉(zhuǎn)速球磨96 h，收集產(chǎn)物。

1.2.2 材料的表征及電化學(xué)性能的測(cè)試

對(duì)所制備的產(chǎn)物進(jìn)行了X 射線衍射（X-ray diffraction，XRD）、掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）、透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）、等溫吸脫附曲線（Brunauer-Emmett-Teller,BET）的測(cè)試分析。將所制備的產(chǎn)物、乙炔黑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的PVDF/NMP 以8:1:1 的質(zhì)量比混合，通過勻漿機(jī)充分混合后，將漿料均勻涂覆在銅片上，在真空箱中80°C 干燥12 h。在充滿氬氣的手套箱中進(jìn)行電池的組裝，電解液為1 mol·L-1的六氟磷酸鋰的碳酸亞乙酯和碳酸二乙酯的混合溶液。電池恒電流循環(huán)充放電測(cè)試的電壓窗口為0.005～3.0 V，測(cè)試電流密度為0.1 A·g-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料的組成與表征

對(duì)所制備的質(zhì)量比不同的Si/C 進(jìn)行X 射線衍射測(cè)試，結(jié)果如圖1 所示。為了能更好地觀測(cè)硅的特征峰的變化，同時(shí)對(duì)球磨12 h 的純硅進(jìn)行XRD 測(cè)試。從圖1 中可以發(fā)現(xiàn)，位于28.4°、47.3°、56.1°、76.4°處的峰分別完好地對(duì)應(yīng)了Si（PDF-#27-1402）的（111）、（220）、（311）及（331）晶面。與碳材料混合球磨后的硅的特征峰減弱，由此猜測(cè)混合加入的石墨粉將硅顆粒包覆在了其中，包覆的碳影響了其XRD 衍射特征峰的強(qiáng)度。

圖2所示為兩種硅碳比例球磨96 h 后的掃描電鏡圖，其中圖2（a）為質(zhì)量比2:3 的Si/C不同放大倍率下的SEM 圖，對(duì)比圖2（b）中的Si/C（質(zhì)量比3:2）的形貌，硅碳混合球磨后均呈現(xiàn)塊狀結(jié)構(gòu)，原本大塊的石墨被粉碎，并與硅粉混合，其塊狀結(jié)構(gòu)由于球磨的不同受力程度而并非十分均勻，大塊狀結(jié)構(gòu)為0.5～2.0 μm。

圖3為Si/C 復(fù)合材料的透射電鏡圖。通過圖3 可以進(jìn)一步觀察到所制備樣品的形貌結(jié)構(gòu)。質(zhì)量比2:3 的Si/C 中的碳含量較多（見圖3（a）），因此在相同的球磨條件下，塊狀石墨的結(jié)構(gòu)更明顯；質(zhì)量比3:2 的Si/C 中的硅含量較多，可以更明顯地觀察到硅顆粒被包裹在石墨片結(jié)構(gòu)中（見圖3（b））。

圖3 Si/C 復(fù)合材料的TEM 圖Fig.3 TEM images of Si/C composite

圖4為Si/C 復(fù)合材料的高分辨率透射電子顯微鏡（high-resolution transmission electron microscopy, HRTEM）測(cè)試圖，可以看出：（111）及（220）晶面都完整地對(duì)應(yīng)了硅的特征晶面；經(jīng)過球磨之后的石墨層變?yōu)楦訜o序化的碳層結(jié)構(gòu)，并將硅顆粒包裹在其中。

以上的測(cè)試都驗(yàn)證了所制備的碳包覆硅復(fù)合材料的形貌結(jié)構(gòu)情況，作為鋰離子電池負(fù)極材料，該結(jié)構(gòu)具有非常好的改善效果。對(duì)所制備的質(zhì)量比3:2 的Si/C 復(fù)合材料進(jìn)行元素分布情況測(cè)試，結(jié)果如圖5 所示。從Mapping 分析圖中可以看到硅元素與碳元素的分布大致較均勻（見圖5（b）和（c））。

圖4 Si/C 復(fù)合材料的HRTEM 圖Fig.4 HRTEM images of Si/C composite

圖5 Si/C 復(fù)合材料的SEM 圖和Si，C 元素分布Fig.5 SEM image of Si/C composite and elemental mapping images of Si and C

對(duì)所制備的Si/C（質(zhì)量比3:2）復(fù)合材料進(jìn)行氮?dú)獾葴匚摳角€測(cè)試，結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，在0.4～1.0 之間出現(xiàn)了滯后環(huán)，表明該材料具有典型的介孔結(jié)構(gòu)特征。同時(shí)，依據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算其比表面積達(dá)到了504 m2·g-1，平均孔徑大小在6.9 nm 左右。較高的比表面積為鋰離子的嵌入脫出提供更多的活性位點(diǎn)，但可能會(huì)致使生成較大的固體電解質(zhì)界面膜而消耗一部分鋰，并因此過程屬于不可逆反應(yīng)，導(dǎo)致電極首圈庫(kù)侖效率降低。

圖6 質(zhì)量比3:2 的Si/C 復(fù)合材料的氮?dú)獾葴匚摳角€Fig.6 BET curves of Si/C composite with mass radio 3:2

2.2 材料的電化學(xué)性能測(cè)試

將所制備的Si/C 復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極材料并進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試。圖7 為兩種不同質(zhì)量比混合球磨的Si/C 復(fù)合材料的首圈充放電曲線，其中質(zhì)量比2:3 Si/C 的首圈充放電容量分別為1 415 和2 052 mA·h·g-1，而質(zhì)量比3:2 Si/C 的首圈充放電則分別達(dá)到了1 558和2 126 mA·h·g-1。石墨含量的增加一定程度上導(dǎo)致了容量的降低。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%的合金硅作為電極材料時(shí)，其首圈放電及充電分別為3 207 和1 703 mA·h·g-1。首圈較大的不可逆容量主要來源于固體電解質(zhì)界面膜的生成[15-18]。

圖7 Si/C 復(fù)合材料的首圈充放電曲線Fig.7 Charge/discharge curves for the first cycle of Si/C composite

圖8為制備產(chǎn)物的循環(huán)性能圖。從圖中可以清楚地觀察到，質(zhì)量比3:2 的Si/C 的起始容量要高出質(zhì)量比2:3 的Si/C 很多，但是其容量下降速率明顯。復(fù)合材料中的石墨的加入雖然會(huì)一定程度上降低電極的容量，但碳層的存在有效改善了硅在充放電過程中所引起的較大的體積膨脹問題。原合金硅的首圈充放電不可逆容量非常大，同時(shí)容量下降速率非常之快，說明硅基材料其本身的循環(huán)穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。此外，從圖7 所示的容量趨勢(shì)可以看出，不同碳含量對(duì)于穩(wěn)定硅基材料的電化學(xué)穩(wěn)定的作用也不同。碳含量的提升有利于快速穩(wěn)定硅基材料的性能，緩解容量下降趨勢(shì)。在循環(huán)50 圈后，單純的Si 電極容量?jī)H余216 mA·h·g-1，質(zhì)量比3:2 的Si/C 的可逆容量下降至709 mA·h·g-1，其容量保持率為45.5%，而質(zhì)量比2:3 的Si/C 在循環(huán)50 圈后，其容量仍有870 mA·h·g-1，其容量保持率為61.5%。這表明碳材料的添加有效改善了硅基材料的電化學(xué)穩(wěn)定性。而從其效率曲線可以觀察到，質(zhì)量比2:3 Si/C 的首圈庫(kù)侖效率在77.1%左右，質(zhì)量比3:2 Si/C 的首圈庫(kù)侖效率為68.2%，Si材料為53.1%。因此，通過增加碳材料的含量可以有效提高其首圈庫(kù)侖效率，而在循環(huán)10 圈后，Si/C 復(fù)合材料的庫(kù)侖效率基本都維持在97%～99%。

圖8 Si/C 復(fù)合材料的循環(huán)性能圖Fig.8 Cycle performances of Si/C composite

3 結(jié)束語(yǔ)

本工作通過簡(jiǎn)單的一步球磨法，制備得到不同硅碳混合比的Si/C 復(fù)合材料，該材料具有較大的比表面積，有利于生成更加穩(wěn)定的SEI 膜。通過對(duì)比不同石墨含量混合得到的產(chǎn)物，了解到碳材料的加入雖然在一定程度上會(huì)降低其理論容量，但碳層包覆硅基材料可以有效地抑制硅在充放電過程中的體積膨脹問題。此外，混合碳的含量對(duì)產(chǎn)物的穩(wěn)定性也起到了重要影響，合適的碳含量能更有效地促進(jìn)硅基材料性能的發(fā)揮。本實(shí)驗(yàn)對(duì)于硅類材料在實(shí)際的應(yīng)用中會(huì)起到較大的促進(jìn)作用，并且本方案同樣適用于探索不同種類碳材料對(duì)于硅的電化學(xué)性能的作用。