硅的表面包覆及其包覆結構調控

#第3章結果與討論3.1樣品的掃描電鏡分析圖6~7為不同含量鹽酸多巴胺條件下Si、SiC1、SiC2的掃描電鏡圖。圖6（a）和（b）展示的是沒有添加鹽酸多巴胺的純硅樣品。從圖中可以看到樣品的顆粒明顯，粒徑也相對均一，沒有被碳包覆，納米硅顆粒大部分成團聚狀態(tài)。圖6（c）和（d）是加入了0.125g鹽酸多巴胺的樣品，從圖6（c）可以看出一些層狀結構，部分納米硅顆粒成裸露狀態(tài)，沒有被碳完全包覆。放大到 2^m倍率時，可以從圖6（d）中看到納米硅顆粒還維持立體結構。圖7則是加入了0.200g鹽酸多巴胺的樣品，從圖7中可以看到較為明顯的層狀結構。放大到2^m倍率時，可以看到納米硅顆粒表面被碳附著，但其立體結構有所減弱。(a) :1 占￡!■!■■??Ajbkrt* -W?y?*8|inr^nn(c)憶'J_! ° J* ,平 b #f .J7VJf*I(d)o％“?I.1Jytafp .iVf忖8pmi2|im圖6（a）和（b）是Si不同放大倍數(shù)的場發(fā)射掃描電鏡圖；（ 6和（d）是SiC1不同放大倍數(shù)的場發(fā)射掃描電鏡圖(b)(b)圖7SiC2不同放大倍數(shù)的場發(fā)射掃描電鏡圖3.2比表面積分析比表面積是指表面積與其體積之比，比表面積與粒徑成反比，即粒徑數(shù)值越大，比表面積數(shù)值越小。經過比表面積分析儀測試之后，如圖 8所展示，納米硅樣品的比表面積在12m2g-1左右，SiC1樣品比表面積在9.8m2g-1左右，SiC2樣品的比表面積在7.2m2g-1左右。從數(shù)據(jù)可以看到硅碳復合材料的比表面積相對于純硅的變小了，說明硅碳復合材料的顆粒直徑要大于純硅的顆粒直徑，也就是說明了硅的表面被包覆上了一層薄碳，導致整體顆粒粒徑增大，比表面變小。而相比較于 SiC1，SiC2的比較面積數(shù)值更小，說明SiC2的立體結構不好，團聚很多，碳層厚度較大30圖8三種樣品的比表面積XRD分析圖9為純硅和碳包覆硅復合材料的X-射線衍射圖，掃描范圍為10°~70°。由圖可知純硅在28.5°、47.4°、562出現(xiàn)了衍射強峰，與標準硅的圖譜相對比，幾乎一樣，且沒有出現(xiàn)其他雜亂的峰值，表明納米硅的結晶純度很高。SiC1在28.4°，47.3°,56.1°出現(xiàn)明顯的衍射強峰，整個特征峰表現(xiàn)為純硅的特征峰。通過分析，可能是因為燒結溫度比較低(400C~500C)，硅的納米顆粒仍然保留在晶體結構中，沒有在熱處理中被改變，這時候的碳是以無定形碳為主，石墨化程度不高，晶化程度不高，以至于碳包覆的量很少，只在表面包覆了很少的一層薄層，沒有在X-射線衍射圖中表現(xiàn)出碳的特征峰。

(?IFF)aI ?I(?IFF)aI ?I ■ ■ *I *I *I 'I 1I r10 20 30 40 50 60 70 80 9020圖9Si和SiC1的X-射線衍射圖3.4倍率性能測試表1和表2是純硅和SiC1的倍率性能測試數(shù)據(jù)。在0.1C條件下，純硅的初始電容量在1235mAhg-1左右，是要大于SiC1的初始電容量，約為1135mAhg-1。經過5次放電循環(huán)后，純硅的電容量下降至1087mAhg-1左右，SiC1的電容量下降至1053mAhg-1左右，。在0.2C條件下，這時SiC1的初始電容量在959mAhg-1左右，是大于純硅的電容量約為853mAhg-1。經過5次放電循環(huán)后，SiC1的電容量下降至871mAhg-1左右，而純硅的電容量下降至769mAhg-1左右。兩者的下降幅度類似。在0.5C條件下，此時SiC1的初始電容量在764mAhg-1左右，還是大于純硅的電容量約為617mAhg-1。經過5次放電循環(huán)后，SiC1的電容量下降至683mAhg-1左右，而純硅的電容量下降至565mAhg-1左右。SiC1的下降幅度相對于純硅的來說更平穩(wěn)一些。1在1C條件下，此時SiC1的初始電容量在443mAhg左右，已經遠大于純硅的電容量約為233mAhg-1。經過5次放電循環(huán)后，SiC1的電容量下降至352mAhg-1左右，而純硅的電容量下降至124mAhg-1左右。雖然在小倍率測試下復合電極的初始容量略低于硅電極的容量，但是隨著充電次數(shù)的增加復合電極的容量保持在高水平而沒有明顯的下降；高倍率測試下能保持高的容量保持率和穩(wěn)定性。*714001200-1000800-■a600-??■■■???:?■■■--??■???????■…?S1C1?400-■-?…200-■■.Si■■■■0-IMC IK2C 0.5C 1C圖10Si和SiC1的倍率性能圖倍率0.1C0.2C容量（mA1234512345hg-1)12351184116311141087853821802787769倍率0.5C1C容量（mA1234512345hg-1)617610588574565233211185153124表1Si的倍率測試數(shù)據(jù)

倍率0.1C0.2C容量(mAhg-1)123451234511351113109410721053959932910892871倍率0.5C1C容量(mAhg-1)1234512345764748722701683443412387371352表2SiC1的倍率測試數(shù)據(jù)3.5循環(huán)性能測試1000? I ■ I 1000? I ■ I rI10 15 20Cyclenumber圖11Si和SiC1的循環(huán)性能圖圖11展示的是純硅和SiC1在相同放電循環(huán)次數(shù)下，電容量的變化圖，而表 3和表4是循環(huán)測試數(shù)據(jù)。在首次循環(huán)時，SiC1的初始電容量在632mAhg-1左右，純硅的初始電容量在651mAhg-1左右，兩者相差不是很大。

在循環(huán)次數(shù)達到15次后，純硅和SiC1的電容量的下降幅度開始變大，直到20次循環(huán)結束。在第20次循環(huán)后，SiC1的電容量在463mAhg-1左右，純硅的電容量在303mAhg-1左右。循環(huán)次數(shù)12345678910容量（mAhg-1）651623611602588582570551543524循環(huán)次數(shù)11121314151617181920容量（mAhg-1）517510497483465421387362334303表3Si的循環(huán)測試數(shù)據(jù)循環(huán)次數(shù)12345678910容量（mAhg-1）632624615609606601594592588583循環(huán)次數(shù)11121314151617181920容量（mAhg-1）578574571561554535516501492463表4SiC1的循環(huán)測試數(shù)據(jù)根據(jù)計算，可以得知 SiC1的容量保持率為 73.2%，純硅的容量保持率為46.5%。從這些數(shù)據(jù)可以得知純納米硅的循環(huán)穩(wěn)定性能差，而硅碳復合電極的循環(huán)性能良好。這是因為具有優(yōu)秀電導性的碳附著在納米硅表面，使電極傳輸電子的能力增強。第四章結論本文通過常溫攪拌法制備出納米硅粉與鹽酸多巴胺的溶液，然后在 500C的馬弗爐中進一步高溫碳化以得到目標產品 SiC1,SiC2。通過掃描電鏡，XRD，比表面積分析儀等測試方法對Si，SiC1，SiC2進行表征，之后再對其進行電化學性能測試。通過研究硅表面上的碳包覆量對復合材料的影響，我們發(fā)現(xiàn)碳成功的包覆上了，并且也提高了電化學性能。在電化學測試中我們可以發(fā)現(xiàn)在大電流工作下，硅碳復合材料相比較于純硅的放電性能要好，這時因為碳的導電性很強，純硅的表面被包覆著一層無定形碳，這讓純硅在充放電的過程中增強了傳輸電子的能力。硅碳復合材料的粒徑在100nm左右，是小于硅顆粒破裂的臨界直徑（＜150nm），這確保了硅顆粒不會因粒徑過大而破裂。并且，碳層具有微孔結構，在將硅顆粒與顆粒之間分隔以防團聚帶來的體積膨脹，緩解了內部壓力的同時，也將硅與電解質分隔開來以防止SEI膜的形成導致傳輸電子的能力下降，減弱材料的電化學性能。參考文獻李振杰，鐘杜，張潔，陳金偉,王剛,王瑞林.鋰離子電池硅納米粒子/碳復合材料[J].化學進展,2019,31(01):201-209.張偉,劉烈凱,湯昊.鋰離子電池硅/碳復合負極材料研究進展[J].電源技術,2019,43(01):162-164+170.楊冬進，婁建安.鋰離子電池及其在線檢測前沿與發(fā)展綜述[J].電源技術,2018,42(09):1402-1403+1419.常鵬,陸越,胡先羅.鋰離子電池高性能硅基負極材料研究進展 [J].西華大學學報(自然科學版),2018,37(04):32-47.孟祥魯.硅基鋰離子電池負極材料的制備與性能優(yōu)化 [D].中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所),2018.⑹鄧冰冰.鋰離子電池負極材料的制備及儲鋰性能研究 [D].中國地質大學(北京),2018.李肖輝.鋰離子電池硅基負極材料及改性研究[D].電子科技大學,2018.劉正皎.硅/碳復合材料的制備及其在鋰離子電池中的應用研究 [D].蘭州大學,2018.戎澤，李子坤,楊書展,任建國，黃友元，岳敏.鋰離子電池用碳負極材料綜述[J].廣東化工,2018,45(02):117-119.孫佩佩.炭包覆納米硅復合負極材料的制備及其性能研究 [D].中國林業(yè)科學研究院,2017.孫雷明.鋰離子電池硅基復合負極材料的制備及電化學性能研究 [D].重慶大學,2016.牛津,張?zhí)K,牛越,宋懷河，陳曉紅，周繼升.硅基鋰離子電池負極材料[J].化學進展,2015,27(09):1275-1290.劉全兵.鋰離子電池正極材料的制備及其性能研究[D].華南理工大學,2012.王德生.硅基材料的制備、表征及其儲鋰性能研究[D].蘭州大學,2012.王保峰.二次鋰電池中高容量硅/碳復合負極材料的合成及電化學研究[D].中國科學院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術研究所） ,2004.致謝隨著這篇本科畢業(yè)論文的最后落筆，我四年的大學生活也即將劃上一個圓滿的句號?；貞涍@四年生活的點點滴滴，從入學時對大學生活的無限憧憬到課堂上對各位老師學術學識的深深感嘆，從奔波于教室圖書館的來去匆匆到業(yè)余生活的五彩繽紛，一切中的一切都是歷歷在目，讓人倍感留戀，倍感珍惜。四年大學的學習生活注定將成為我人生中的一段重要旅程。四年來，我的師長、我的領導、我的同學給予我的關心和幫助，使我終身收益，我真心地感謝他們。在本文的撰寫過程中，馬志華老師作為我的指導老師，他治學嚴謹，學識淵博，視野廣闊，為我營造了一種良好的學術氛圍。這些使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了明確的學術目標，領會了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且還明白了許多待人接物與為人處世的道理。其樸實無華、平