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NaCl模版法制备Si纳米片

NaCl模版法制备Si纳米片

  Si材料的理论比容量可达4200mAh/g,远远高与石墨类材料,电压平台与石墨材料接近,是一种非常理想的负极材料,但是Si材料在嵌锂过程中巨大的体积膨胀不但会造成Si颗粒自身的破碎,还会破坏负极的结构,造成循环性能的快速衰降。Si材料的这一特性极大的限制了Si材料在实际中的应用,因此人们不得不退而求其次,采用膨胀相对较小的SiOx材料,但是小编认为SiOx只是一个过渡方案,SiOx材料不仅容量低(1500mAh/g左右),首次效率也远低于石墨材料,这限制了锂离子电池能量密度的提升,因此从长远来看,Si材料最终将取代SiOx材料。

  Si负极大规模应用的前提是克服嵌锂过程中的体积膨胀,在材料制备方面主要有两种办法:1)制备特殊形貌的Si材料,例如纳米片、纳米网等;2)Si-C复合,这也是各大材料厂家的主流技术方案。一般来说制备特殊形貌的Si材料,需要采用特殊的技术手段,不但成本高昂,而且还难以大规模生产,因此这类方法往往只能存在于大学的实验室内。但是近日湘潭大学的P.P. Wang等人以NaCl颗粒作为模版,以较低的成本合成了Si纳米片材料,该材料不仅展现出了高可逆容量(2500mAh/g@0.2A/g),还具有优异的循环性能。

  为了降低Si纳米片的合成成本,提升生产效率,P.P. Wang采用NaCL作为模版,水解正硅酸乙酯作为Si源,首先合成了较大面积的SiO2纳米片,然后采用金属Mg对上述的SiO2纳米片进行还原处理,得到Si纳米片,最后将Si纳米片与还原氧化石墨烯(rGO)复合制备了Si纳米片@rGO的负荷材料。

  下图为采用上述的制备方法制备的SiO2纳米片和Si纳米片的形貌,从下图a和b可以看到制备的材料中仅有一种SiO2纳米片结构,没有其他形貌,同时从图a中我们注意到SiO2纳米片的面积都达到了数十平方微米,而在图b中一些SiO2纳米片的面积甚至超过了100um2。从图c中可以注意到,上述的SiO2纳米片在被还原成为Si纳米片后,其面积出现了明显的下降,但是仍然达到10um2左右。

  下图为Si纳米片@rGO负荷材料的电化学性能测试结果,从图a可以看到该材料的首次嵌锂容量为3800mAh/g(0.01V-1.5V@0.2A/g),但是脱锂容量仅为2500mAh/g,首次效率也仅为68%,导致Si纳米片@rGO材料首次效率较低的主要原因可能Si纳米片@rGO材料的大比表面积导致副反应增多,从而在SEI膜形成过程中消耗了较多的Li,但是后续的循环中Si纳米片@rGO材料则表现的非常稳定。

  从图b的循环性能测试结果中可以看到,通过与rGO材料复合能够显著的改善Si纳米片的循环性能,Si纳米片@rGO材料在循环五十次(0.2A/g电流密度)后,容量保持率为90%,远高于没有与rGO复合的纯Si纳米片的33%容量保持率。凭借着Si纳米片独特的结构,以及rGO优良的导电性,Si纳米片@rGO材料也表现出了优异的倍率性能,从下图c可以看到早0.4A/g的电流密度该材料可发挥2000mAh/g左右的容量,在1A/g的电流密度下,该材料的容量发挥仍然可达1550mAh/g,当进一步将电流密度提高到2A/g时。材料仍然发挥出了900mAh/g的容量。

  P.P. Wang采用常见的NaCl作为合成Si纳米片的模版,不仅能够极大的降低Si纳米片的合称成本,并且NaCl仅需要使用去离子水就可以将模版去除,这一方面降低了生产升本,同时也减少了使用腐蚀溶剂所造成的环境污染,具有较好的应用前景。但是目前来看,Si纳米片材料首次效率还很低,在目前补锂工艺还不成熟的情况下,Si纳米片还不具备应用价值,还需要通过与石墨材料复合或者对其进行表面包覆处理等手段,减少副反应,以提高首次效率。

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