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硅藻土用作锂电池硅基负极材料的试验研究

文章出处:未知 人气:发表时间:2019-04-02

锂电池负极材料性能的好坏制约着锂电池的性能,而硅的理论容量和安全性都高于石墨,被认为是最有前景的锂电池负极材料。硅藻土的主要成分为SiO2,具有良好的孔径结构,以硅藻土作为硅基负极材料,具有天然的优势。

 

图1 锂电池的组成

1、硅藻土的多孔结构

硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩,主要由古代硅藻遗骸组成,其化学成分主要是SiO2。硅藻土具有独特多级开孔结构,孔径以大孔为主,含有少量介孔,孔径分布范围较广,孔结构优良,故硅藻土是锂电池优良的负极材料。

 

图2 硅藻土的多孔结构

2、硅藻土制备多孔单质硅

以吉林某地硅藻土为原料,经粉碎、高温煅烧(550℃)和油浴(98℃)等除杂后,得到纯白色硅藻土(二氧化硅)。

将硅藻土(二氧化硅)与金属镁粉混合均匀,经高温煅烧(650℃)、盐酸酸洗和干燥后得到多孔结构的单质硅,呈灰黑色。

3、硅藻土单质硅XRD分析

 

不同阶段硅藻土的XRD图谱

硅藻土提纯各步骤的XRD见上图3所示,其中图3 a为550℃高温锻烧后的硅藻土,与原土相比将有机杂质烧掉;图3 b为98℃油浴酸洗后的硅藻土,可发现硅藻土中的无定形SiO2已明显显现出来,此时将Al、Fe等矿物杂质形成可溶性盐类去除,得到了高纯度二氧化硅;图3 c为提纯后的硅藻土与金属镁按一定质量比混合,混合后金属镁的衍射峰极为明显;图3 d为镁热还原反应处理后下方所得单质硅的衍射峰,明显可以看出此时SiO2和金属镁的反应极其充分,得到了氧化镁和硅的混合物,然后再经酸洗、离心等处理后得到高纯度硅。

4、硅藻土多孔硅与商业硅的循环性能对比

硅藻土含有圆盘藻和棒状藻,具有特殊的介孔通道结构。由硅藻土提纯制备的单质硅比商业硅具有着天然的优势,本身所具有的多孔结构使得最后得到的单质硅保持这种结构,为锂离子的嵌入和脱出提供更为通畅的途径,而且单质硅的颗粒尺寸也明显小于商业硅,这些都可以缓解在反应过程中带来的体积膨胀,有利于提高锂离子电池的电化学性能。 硅藻土多孔硅与商业硅的容量和循环次数

给出了硅藻土多孔硅与商业硅的循环性能对比,虽然多孔硅的首次充放电容量比商业硅低,但其优势在于容量衰减没有商业硅严重,在多次循环后的容量反而高于商业硅,即硅藻土多孔硅的循环稳定性比商业硅好。可以得出这样的结论:由硅藻土制得的具有多孔结构的单质硅能够在一定程度上缓解硅的体积膨胀,从而使锂离子电池的电化学性能得到一定程度的提高。

经提纯、改性的硅藻土多孔硅比石墨负极材料在比表面积、电容量、充放电循环性能上具有一定的优势,将硅藻土特殊的介孔通道结构应用于锂离子电池的负极材料,使其电化学性能具有一定的改善,满足了锂离子混合超级电容器的设计要求,为后续在混合超级电容器方面的应用提供了新的思路。

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