摘要
高能量密度锂离子电池是新能源市场的迫切需求，而开发高容量、安全、稳定的负极材料是关键。硅是理论比容量最高的负极材料（4200mAhg-1），但是其存在体积膨胀、首圈库仑效率低、电导率差和容量衰减快等问题，尚未达到商业应用成熟程度。因此，通过新工艺和改性开发出稳定性高、容量高的新型硅碳负极材料是当务之急。 本文先在多孔硅基础上采用化学气相沉积（CVD）进行碳包覆改性，采用乙炔作为碳源，详细研究了沉积温度、时间对产物结构和电化学性能的影响。另外分别用一氧化碳和二氧化碳氧化硅化镁制备原位碳包覆硅结构，详细探究了反应温度、时间的影响。最后结合上面两者优势，设计了一种双碳包覆的纳米硅结构，经过探究CVD反应时间，优化制备出一种高容量的硅碳负极材料。主要研究发现： （1）在化学气相沉积实验中，在以0.5Ag-1的电流密度下50圈的平均比容量作为指标时，乙炔的化学气相沉积最佳合成工艺为在700℃下，1h。最优组在50圈循环后的容量为740.5mAhg-1，较原始材料3DSi提升了532.8mAhg-1。原始材料的首圈库仑效率为83.24%，CVD后的硅碳复合材料的首圈库仑效率均达到88.46%以上。在循环保持率上，原始硅的容量保持率为7.45%，CVD后的材料均在20%以上，首圈库仑效率和循环稳定性均有较大提升，说明碳包覆对提高硅的电化学循环稳定性有显著效果。 （2）利用一氧化碳或二氧化碳氧化Mg2Si可以制备出一种多孔结构的硅碳负极材料。以CO作为碳源，最优组的首次充电比容量分别为2458.09mAhg-1，首圈库仑效率为82.70%。50圈循环后的比容量为1278.5mAhg-1，50圈的容量保持率为43.01%。以CO2作为碳源，最优组的首次充电比容量分别为2827.37mAhg-1，首圈库仑效率为85.28%。50圈循环后的比容量高达1545.9mAhg-1，50圈的容量保持率为54.68%。CO2整体作用效果优于CO，最优组的工艺为700℃下反应4h。 （3）在二氧化碳制备出多孔纳米硅基础上，再利用化学气相沉积在表面均匀包覆一层碳层，利用两种碳的协同作用提高材料的循环稳定性。探究了CVD的时间对硅碳负极复合材料电化学性能的影响，得出最优组的CVD时间为1h。双碳复合能够提高负极材料的导电性和稳定性，其首圈库仑效率均在89%以上，容量保持率均在49%以上。其中最好的材料Si@G@C-1h的首圈库仑效率达到91.42%，容量保持率达到55.80%，0.5Ag-1的电流密度下循环50圈仍有1753.9mAhg-1的容量，性能较好。
NETL