锂离子电池硅碳复合负极材料制备及性能研究.pdf

摘要

锂离子电池是21世纪最具有发展潜力的化学电源，目前商业化锂离子电池负

极材料普遍采用石墨类碳材料，该类材料的极限储锂容量仅有372mAh/g，不能满

足高性能锂离子电池发展的需求。硅负极材料由于理论容量高（高达4200mAh/g，

是当前商用石墨负极的十倍以上）、放电电位低、储量丰富的优点，被认为是最有

发展前景的锂离子电池负极材料之一。但作为锂离子电池负极材料，硅在充放电循

环中会产生高达300%的膨胀效应，且硅作为半导体，电子电导率很低，这两大问

题极大地限制了硅负极的发展。本文以光伏行业废弃硅微粉为原料，采用有机物碳

源热裂解对硅进行包覆制备硅基碳复合材料。通过引入具有良好机械性能的碳作

为第二相来缓解硅材料的膨胀效应，并且碳也能够增加复合材料的整体导电率，进

一步改善硅负极材料的电化学性能。

通过对硅微粉进行氧化热处理制备Si/SiOx复合物，分别采用酚醛树脂和沥青

作为热裂解碳源对其进行包覆制备硅基碳复合材料，通过测试比较确定酚醛树脂

为最优热解碳源。以酚醛树脂为碳前驱体，在不同温度和加热速度下制备了硅基碳

复合负极材料，并对其进行电化学测试，通过比较测试确定最佳制备工艺：热解温

度为850℃，加热速率为5℃/min，热解时间为120min，在此条件下制备了硅碳复

合负极材料并进行电化学测试，首次容量能达到1135mAh/g，在100个循环后，

负极材料的容量为816mAh/g，容量保持率达到了71.9%。

为了进一步增强负极材料的循环稳定性，以上述制备的酚醛树脂包覆硅基碳

负极材料为基础，再一次使用沥青进行有机碳包覆，制备二次碳包覆的硅基碳复合

负极材料。经过沥青二次包覆制备的负极材料的首次容量能达到1180mAh/g，在

150个循环后，负极材料的容量为950mAh/g，容量保持率达到了80.5%，沥青二

次包覆可有效增强负极材料的循环稳定性。

关键词：锂离子电池；负极；硅基碳复合材料；热裂解

Abstract

Inthe21stcentury,Lithium-ionbatteriesarethemostpromisingchemicalpower

sources.Atpresent,graphite-basedcarbonmaterialsarecommonlyusedasanode

materialforcommerciallithium-ionbatteries.Theultimatelithiumstoragecapacityof

suchmaterialsisonly372mAh/gandcan’tenoughtomeetthedevelopmentneedsof

high-performancelithiumions.Duetoitshightheoreticalcapacity(upto4200mAh/g,

morethantentimesthatofcurrentcommercialgraphitecathodes),lowdischarge

potential,andabundantreserves,siliconanodematerialsareconsideredtobeoneofthe

mostpromisingcathodematerialsforlithiumionbatteries.However,asanodematerials

oflithiumionbatteries,silicongeneratesupto300%expansioneffectduringchargeand

dischargecycles,andasasemiconductor,siliconhaslowelectronicconductivity,these

twoproblemshavegreatlylimitedthedevelopmentofsiliconnegativeelectrodes.Inthis

paper,silicon-basedcarboncom