PDF《SiO/CNTs：新型锂离子电池负极材料》

中国科学 B 辑:化学

2009 年第39 卷第12 期:

1593 ~

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1593 《中国科学》杂志社 SCIENCE IN CHINAPRESS SiO/CNTs:新型锂离子电池负极材料 任玉荣 ①②③* , 瞿美臻 ① , 于作龙 ①* ① 中国科学院成都有机化学研究所, 成都 610041;

② 吉林师范大学化学学院, 四平 136000;

③ 中国科学院研究生院, 北京

100039 * 通讯作者, E-mail: ryrchem@163.com 收稿日期:2009-05-17;

接受日期:2009-08-05 摘要 通过化学气相沉积方法原位制备了氧化硅/碳纳米管(SiO/CNTs)负极材料. 扫描电镜(SEM)测试结果表明, 碳纳米管沉积在氧化硅表面, 形成笼状结构, 将氧化 硅粒子紧密包裹. SiO/CNTs 负极材料的初始充放电容量分别为

1171 和789 mAh/g, 经过

80 次充放电循环后, 可逆容量为

500 mAh/g. 在循环过程中, 碳纳米管和氧化 硅之间的紧密接触使得 SiO/CNTs 复合材料保持了稳定的导电网络, 循环性能得以 提高. 关键词 SiO/CNTs 化学气相沉积 复合材料 负极 锂离子电池

1 引言 SiO 具有比商业用碳材料高的比容量(2043 mAh/g)和较好优异的循环性能, 能够大量吸收并存 储锂, 是锂离子电池碳负极材料很有希望的替代 物[1~3] . 但其商业化应用还存在一些难以解决的问题. 首先, 在充放电过程中, 脱嵌锂反应使硅基材料体积 变化很大, 导致电极材料的开裂和导电网络的破坏, 循环性能差. 此外, 电导率低是限制其商业化应用的 另一重要因素[4~6] . 为了解决上述问题, 近年来, 研 究人员对 SiOx 基负极材料进行了深入研究[7~12] . H.Y. Lee 等人[7] 通过机械球磨 SiO、Al 和Li2O2, 制备了纳 米硅均匀分散的负极复合材料, 经过

40 次循环后, 其可逆比容量保持在

550 mAh/g 以上. Morita 和Takami[8] 通过裂解聚糠醇在 SiO 表面包覆碳, 制备了 Si/SiOx/C 复合材料,

200 次循环后的可逆比容量约为

700 mAh/g, 循环性能优异. Yang 等[9] 用锂机械还原 SiO, 得到了纳米硅、Li4SiO4 和其他富硅成分的复合 材料, 初始比容量为

770 mAh/g,

50 次循环后比容量 为762 mAh/g, 循环性能得到了很好的改善. 最近, Zhang 等[10] 采用溶胶凝胶法合成了具有核壳结构的 Si/SiO 复合材料,

20 次循环后可逆比容量约为

540 mAh/g. Kim J H 等[11] 使用聚乙烯醇做碳源, 包覆 0.5~3 ?mSiO, 经过

100 次循环后, 比容量保持在

710 mAh/g. Shu 等[12] 采用化学镀方式在多晶硅粉表面镀 Ni-P 催化剂, 通过化学气相沉积(CVD)方法合成的笼 状CNTs/Si 复合材料,

20 次循环后可逆比容量为

940 mAh/g, 容量有待进一步提高, 并且该材料合成中催 化剂采用化学镀的工艺繁琐精度要求较高, 不利于 工业应用. 将硅均匀分散到活性/非活性材料中, 是 缓解硅在循环过程中体积变化并改善其循环性能的 重要研究方向. 这篇快报, 我们提出一种简易可行的 化学气相沉积法原位合成 SiO/CNTs 复合材料的方 法, 并获得较高的比容量和优异的循环性能.

2 实验部分 2.1 SiO/CNTs 复合材料的制备 采用 CVD方法制备 SiO/CNTs复合材料, 甲烷作 碳源, SiO 粉末作基体, 镍作催化剂. 具体实验步骤 任玉荣等: SiO/CNTs:新型锂离子电池负极材料

1594 如下:将8g六水合硝酸镍(分析纯, 成都科龙化学试 剂有限公司)溶于一定量的去离子水中, 加入

100 g SiO 粉未(分析纯, 上海化学试剂有限公司, 球磨