PDF《负极材料及其电化学性能》

1 实验1.1 试剂和仪器 纳米 Si 粉(粒径为 80~120 nm,上海水田材料科技有限公司) ,氧化石墨烯(GO,用 改良的 Hummer 方法制备[13] ) ,SA(阿拉丁试剂有限公司,化学纯) ,无水氯化钙(CaCl2, 阿拉丁试剂有限公司,化学纯) ,以上试剂均直接使用无需进行纯化处理. 惰性气氛手套箱(MB10,德国布劳恩公司) ,粉末 XRD 仪(Rigaku MiniFlex 600,日 本理学公司) ,Raman 光谱仪(HR800,法国 HORIBA 公司) ,TGA 仪(SDT-Q600,美国 TA 仪器公司) ,SEM(HITACHI S-4800,日本日立公司) ,TEM(F30-HR,荷兰 Philips-FEI 公司) , 电化学工作站 (CHI-1030C, 上海辰华仪器有限公司) , 电化学工作站 (Solartron 1287, 英国输力强公司) ,新威电池测试系统(CT-3008W/5MA,深圳新威尔电子有限公司) . 1.2 复合材料的制备和表征 Si/rGO/C 复合材料的制备过程如图

1 所示:首先,将0.3 g 纳米 Si 粉和 0.3 g GO 先后 加入到

60 mL 去离子水中,超声分散

2 h 后加入 0.6 g SA,继续搅拌

6 h 以获得分散均匀的 溶液 A (如图 1b 所示) ;

其次, 用蠕动泵以

2 mL/min 的速率将溶液 A 滴加到 0.2 mol/L CaCl2 溶液中,同时搅拌,可以看到含有 Si 纳米颗粒和 GO 的海藻酸水凝胶球(Si/GO/SA 水凝胶 球,如图 1c 所示)快速形成,然后继续搅拌

2 h 使SA 与Ca2+充分交联.得到的 Si/GO/SA 水凝胶球用去离子水反复清洗后冷冻干燥

12 h 以去除水分,再将其置于管式炉中,在氢/氩(10% H2)气氛保护下

800 ℃高温处理

3 h(升温速率为

5 ℃/min) ;

自然冷却后得到的材料 加入到 15%(质量分数)的HCl 溶液中,搅拌

1 h 去除杂质(Na+, Ca2+) ,然后过滤,用去 离子水多次洗涤,在80 ℃真空条件下烘

3 h 后即得 Si/rGO/C 复合材料.另外,通过相同的 方法合成 Si/C 复合材料(不含 rGO)以探讨 rGO 的作用.以上所有实验均在室温下进行. 采用 XRD、Raman 光谱、比表面积测试、SEM 和TEM 获得复合材料的化学成分、形 貌等信息.在空气气氛,测试温度为

30 ~

800 ℃, 升温速率为

10 ℃/min 条件下,对复合材 料进行热重分析,获得了 Si 组分的定量信息.采用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP -AES)仪,获得了复合材料中杂质的残留定量信息. 1.3 电化学性能测试 将制备的复合材料、乙炔黑(导电剂)和丁苯橡胶/羧甲基纤维素(黏结剂)按照质量 比60:30:5:5 混合,加入一定量的去离子水后充分搅拌

3 h,所得浆料倒到铜箔上均匀涂布, 然后在

80 ℃下真空干燥

10 h, 最终得到含有复合材料的工作电极. 以金属锂片作为对电极, Celgard

2400 为隔膜,1 mol/L 六氟磷酸锂(LiPF6)溶解于碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二乙酯 (DEC)/碳酸二甲酯(DMC)(体积比 1:1:1)溶剂且含有 5%(质量分数)氟代碳酸乙烯酯 (FEC)添加剂的混合有机溶液为电解液,在手套箱(氩气氛围)中组装 CR2016 型扣式电 池. 电池静置

12 h 后在电池测试系统上进行恒流充放电测试, 测试的电压范围为 0.01 ~ 1.5 V (vs Li/Li+ ). 循环伏安 (CV) 测试通过 CHI660D 型电化学工作站获得, 扫描速率为 0.1 mV/s, 电压范围为 0.01~1.5 V (vs Li/Li+ ).采用 Solartron

1287 型电化学工作站在 0.1~105 Hz 频率 范围内对电池进行了交流阻抗测试. 本文中扣式电池的充放电比容量是按照工作电极中活性 物质的总质量计算,测试环境温度为

25 ℃. (a)Si/rGO/C 复合材料的制备过程;

(b)Si/GO/SA 混合溶液;

(c)Si/GO/SA 水凝胶球;