担载纳米硅的锂-碳复合微球作为锂二次电池负极

郭峰 陈鹏 康拓 王亚龙 刘承浩 沈炎宾 卢威 陈立桅

引用本文: 郭峰, 陈鹏, 康拓, 王亚龙, 刘承浩, 沈炎宾, 卢威, 陈立桅. 担载纳米硅的锂-碳复合微球作为锂二次电池负极[J]. 物理化学学报, 2019, 35(12): 1365-1371. doi: 10.3866/PKU.WHXB201903008 shu
Citation:  GUO Feng, CHEN Peng, KANG Tuo, WANG Yalong, LIU Chenghao, SHEN Yanbin, LU Wei, CHEN Liwei. Silicon-loaded Lithium-Carbon Composite Microspheres as Lithium Secondary Battery Anodes[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2019, 35(12): 1365-1371. doi: 10.3866/PKU.WHXB201903008 shu

担载纳米硅的锂-碳复合微球作为锂二次电池负极

    通讯作者: 沈炎宾, ybshen2017@sinano.ac.cn; 陈立桅, lwchen2008@sinano.ac.cn
  • 基金项目:

    国家重点基础研究发展计划(2016YFB0100102)、中国科学院战略性先导专项(XDA09010600 and XDA09010303)和国家自然科学基金(21625304, 21733012)资助项目

摘要: 金属锂由于其极高的理论比容量(3860 mAh∙g-1,2061 mAh∙cm-3)和低的还原电势(相对于标准氢电极(SHE)为−3.04 V)等特点,成为了高能量密度锂电池负极材料的极佳选择之一。从上个世纪七十年代开始,科研工作者便开始了金属锂负极的研究,然而,由于金属锂与电解液反应严重,镀锂过程体积膨胀大,且在循环中易生成枝晶,以金属锂为负极的电池循环稳定性差,而且容易短路从而带来安全隐患。因此金属锂做为锂电池负极的商业化推广最终没有成功。在本工作中,我们在前期设计的锂-碳纳米管复合微球(Li-CNT)中引入了纳米硅颗粒制备了硅颗粒担载的锂-碳复合球(Li-CNT-Si)。实验发现,纳米硅颗粒的加入不仅提高了锂-碳复合微球的载锂量(10% (质量百分含量)的硅添加量使得比容量从2000 mAh∙g-1提高到2600 mAh∙g-1),降低了锂的沉积/溶解过电势,有利于引导锂离子回到复合微球内部沉积,大大提高了材料的循环稳定性。同时,担载了纳米硅颗粒的锂-碳复合球也继承了锂-碳复合微球循环过程中体积膨胀小,不长枝晶的优点。而且添加的纳米硅颗粒还填充了Li-CNT微球中的孔隙,减少了电解液渗入复合微球内部腐蚀里面的金属锂,进一步提高了材料的库仑效率。以添加10%硅的锂碳复合材料作为负极,与商用磷酸铁锂正极组成全电池,在常规酯类电解液中1C (0.7 mA∙cm-2)条件下能稳定循环900圈以上,库仑效率为96.7%,大大高于同样条件下测得的Li-CNT复合材料(90.1%)和金属锂片(79.3%)的库仑效率。因此,这种通过简单的熔融浸渍法即可制备的,具有高的比容量和长的循环稳定性的锂硅-碳复合材料具有较大的潜能成为高能量密度电池的负极材料,尤其适用于锂硫、锂氧这种正极不含锂源的电池体系。

English

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  • 发布日期:  2019-12-15
  • 收稿日期:  2019-03-04
  • 接受日期:  2019-04-02
  • 修回日期:  2019-04-02
  • 网络出版日期:  2019-12-10
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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