











[摘 要] 以微米硅為原料,采用高能球磨法制備碳納米管/還原氧化石墨烯/硅負極材料。采用掃描電子顯微鏡、X-射線衍射、傅里葉紅外光譜和電化學測試技術對材料的晶型結構、形貌及電化學性能等進行研究。結果表明,球磨在保持硅的晶體結構不發生變化的前提下,既可降低硅顆粒的尺寸,又能促進氧化石墨的部分還原和剝離,使其轉為石墨烯。當碳納米管添加量為1%、氧化石墨添加量為5%時,所制備的負極材料具有較好的電化學性能,在0.4 A/g的電流密度下循環200次,放電比容量為1779.7 mAh/g。這主要是因為碳納米管和還原的氧化石墨烯能夠在硅負極建立高效的導電網絡,增加電子的傳遞速率,同時降低硅負極脫嵌鋰過程時鋰離子的電荷轉移電阻和提高鋰離子擴散速率。
[關鍵詞] 碳納米管; 氧化石墨; 硅基材料; 鋰離子電池; 球磨法
[中圖分類號] TQ127, TM912" [文獻標識碼] A
相對于商業化的石墨負極(理論比容量只有372 mAh/g),硅材料具有高達4200 mAh/g的理論比容量,能顯著提升鋰離子電池的能量密度。且具有工作電位低、自然儲量豐富等優點,是極具前景的下一代鋰離子電池負極材料。硅負極嵌鋰后可產生高達300%的體積膨脹,充放電時嚴重的體積膨脹與收縮導致硅負極發生破裂、粉化,同時這種體積變化也會引起硅負極表面SEI不斷形成,嚴重降低了硅負極的容量、庫倫效率以及循環穩定性。此外,硅作為半導體,其導電性能較差,負極充電時不能有效傳輸電子,導致硅負極的倍率性能不佳。這些不足都限制了硅負極的商業化應用[1-2]。研究表明,將硅負極顆粒減小至納米尺寸(如硅納米顆粒、納米線、納米管、多孔納米顆粒)可在一定程度上抑制硅的體積膨脹與收縮問題[3-4]。但是,納米尺寸硅負極的制備通常比較復雜和繁瑣,并且產量小,難以放大,使得這些硅負極的成本高。此外,通過硅與碳材料復合制備硅/碳復合材料[5-6]能夠顯著提升硅負極的電化學性能。二維的石墨烯具有較高的比表面積和導電率。當其加入硅負極中時,一方面能夠緩沖硅的體積膨脹,提高硅負極的循環穩定性,另一方面能夠提高負極中電子的傳輸速率。但是,因為石墨烯與硅之間是點—面接觸,不能在負極形成高效的三維電子傳輸通道,從而影響電池的倍率性能[7-8]。一維的碳納米管同樣具有極高的導電性能,它與硅采取點—線的接觸方式提高硅負極中的電子傳輸速率[9]。當它與石墨烯同時加入硅負極中時,能夠增加額外的電子傳輸通道,與石墨烯共同構建高效的三維電子傳輸通路,提升硅負極的倍率性能。
本文采用高能機械球磨處理廉價的微米硅,期望將硅顆粒的尺寸減小到納米級別,減緩硅顆粒的體積膨脹效應。在球磨處理微米硅過程中同時加入氧化石墨,借助硅作為輔助磨料的作用,促進機械球磨對氧化石墨的剝離和還原,從而得到石墨烯;在球磨后期,進一步加入碳納米管,制備碳納米管/石墨烯/硅負極材料。采用物理表征手段分析硅復合材料的結構與形貌,研究碳納米管/石墨烯/硅負極材料的電化學性能。
1 實驗部分
1.1 主要實驗原料
微米硅(200目)、鱗片石墨(400目)、硝酸鈉、濃硫酸(98% AR)、高錳酸鉀、雙氧水(30% AR)、鹽酸(37% AR)、乙醇等試劑,購自國藥集團化學試劑有限公司;多壁碳納米管(CNT,純度99%,10~20 μm),購自中國科學院成都有機化學所。
1.2 氧化石墨的制備
采用Hummers氧化法制備氧化石墨[10],其過程為:將2.0 g鱗片石墨、1.0 g硝酸鈉依次加入46 mL濃硫酸中,在冰水浴(0~4℃)中超聲1 h,然后在攪拌下緩慢加入6.0 g高錳酸鉀。高錳酸鉀加入過程中控制反應體系的溫度不超過10℃,然后升溫至38℃反應2 h,再向溶液中緩慢倒入92 mL去離子水,并升溫至95℃繼續反應0.5 h。反應結束后加入10 mL雙氧水(質量分數30%)還原過量的高錳酸鉀,再加入稀鹽酸,靜置后倒掉上清液,采用蒸餾水和離心反復洗滌產物數次,直至離心上清液為中性,冷凍干燥即得氧化石墨(GO)。
1.3 碳納米管/石墨烯/硅負極材料的制備
將一定量的氧化石墨超聲分散于7.5 mL無水乙醇,再將其倒入裝有0.6 g微米硅粉的氧化鋯球磨罐中,加入適量氧化鋯磨球后,將球磨罐放入手套箱進行密封,取出后放入行星球磨機進行球磨。球磨條件:氧化鋯球磨球大球(直徑3 mm)與小球(直徑1 mm)質量比為1∶2,球料質量比30∶1,轉速300 r/min,時間2 h。球磨2 h后稱取一定質量碳納米管加入球磨罐再次球磨,控制球磨轉速300 r/mim,時間0.5 h。球磨結束后,將球磨罐中的產物轉移至離心管,用高速離心機分離產物,最后經60℃真空干燥12 h得到CNT/GO/Si復合物。作為對照,采用相同的過程分別制備了不添加GO和CNT、單獨添加CNT、單獨添加GO制備的硅負極,分別記為Si、CNT/Si和GO/Si。
1.4 材料的表征
采用美國賽默飛公司IS 50型號獲得材料的傅里葉紅外光譜。采用日本Rigak公司Smartlab SE型號X射線衍射儀分析材料的晶型結構,其中光源為CuKα射線,掃速為10°/min,測試范圍為10~90°。采用德國ZEISS公司GeminiSEM 300型號掃描電子顯微鏡觀察材料的形貌。材料的拉曼光譜(Raman)在美國Thermo Scientific DXR型顯微激光拉曼分析儀上獲得,激光器波長為532 nm。材料元素組成和價態由美國賽默飛公司Thermo K-Alpha型號X射線光電子能譜儀獲得,以Al Kα作為X射線激發源,全譜掃描通能為150 eV,步長為1 eV。
1.5 CNT/GO/Si負極材料的電化學性能評價
采用模擬扣式電池評價CNT/GO/Si負極材料的電化學性能。以超純水為溶劑,將CNT/GO/Si負極材料、導電炭黑和羧甲基纖維素鈉按質量比7∶2∶1混合均勻,涂覆在銅箔上,經過干燥、對輥后裁剪為直徑12 mm的極片。以金屬鋰為正極,CNT/GO/Si為負極,Clegard 2500聚乙烯/聚丙烯薄膜為隔膜,以添加體積分數為10%的氟代碳酸乙烯酯的1 mol/L的六氟磷酸鋰(LiPF6)作為電解液(溶劑為體積比為1∶1∶1的碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯的混合溶劑),在水、氧含量均小于108的真空手套箱內組裝成CR2032型扣式模擬鋰離子電池。采用藍電測試系統對電池進行充放電測試,電壓測試范圍為0.01~1.5 V。采用德國ZAHNER公司的Zennium電化學工作站測試材料的循環伏安行為(CV)和電化學阻抗(EIS)。其中循環伏安的掃描速度為0.1 mV/s,電壓范圍為0.01 ~1.5 V。電化學阻抗測試的頻率范圍0.01~100 kHz,電壓擾動振幅為5 mV。
2 結果與討論
2.1 材料的結構和形貌分析
采用X-射線衍射法(XRD)分析不同材料的物相結構(圖1a)。從圖1可以看出,Si、CNT/Si、GO/Si和CNT/GO/Si負極材料的衍射曲線在28.5°、47.3°、56.1°、69.0°、76.3°、88.0°處都出現明顯的衍射峰。這些衍射峰的位置與硅的標準PDF卡片(JCPDS No.27-1402)完全對應,衍射曲線這些峰分別對應晶體硅的(111)、(220)、(311)、(400)、(331)以及(422)的晶面相的衍射[11],說明無論是單球磨處理原料微米硅,還是球磨處理碳納米管、氧化石墨和硅的混合物都未改變硅的原始晶型,并且沒有形成其他雜相。利用jade軟件計算球磨硅和各負極材料的半峰寬(表1),發現當微米硅球磨過程中加入GO或CNT時,硅各個晶面衍射峰的半峰寬均有所降低,即晶面衍射峰較球磨硅更窄,說明:GO/Si和CNT/Si復合材料結晶度提高;CNT/GO/Si負極材料的半峰寬最大,表明硅被碳納米管和氧化石墨烯封裝在內;CNT/GO/Si負極材料在2θ為23.5 °出現弱衍射峰,對應于石墨烯的(002)晶面的衍射[12],在球磨過程中GO發生了剝離。圖1b給出了GO、GO/Si和CNT/GO/Si負極材料的傅里葉紅外(FT-IR)光譜圖。從圖中可以發現:對于GO在3403 cm-1和1722 cm-1處分別出現O-H鍵的伸縮振動峰和C=O鍵的伸縮振動峰[13];1220 cm-1波數出現C-OH鍵的伸縮振動峰,1052 cm-1波數出現C-O-C鍵的伸縮振動峰[14]。這些紅外吸收峰的出現表明鱗片石墨表面攜帶了大量的含氧官能團,即已經成功制備GO。對于GO/Si和CNT/GO/Si負極材料而言,GO表面攜帶的含氧官能團的特征峰強度明顯減弱,說明GO發生了部分還原。結合XRD的結果,可以推斷GO在與硅一起球磨的過程中,其被剝離并還原形成了石墨烯。還原后的氧化石墨烯具有更高的導電率,能夠快速傳輸電子。另外,這兩種負極材料在887 cm-1附近產生了硅氧鍵對稱伸縮振動吸收峰,說明球磨過程中硅顆粒在破碎同時發生了部分氧化,產生了硅氧化物,這些硅氧化物有利于SEI膜的形成[15]。
為探究球磨對復合過程中材料粒徑和形貌的影響,采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察球磨前后的Si和各復合樣品(圖2)。
由圖2a可見,原料硅的顆粒尺寸達幾微米至幾十微米。經過球磨處理后硅顆粒最大尺寸不超過1 μm,粒度相對均勻,有部分硅顆粒團聚(圖2b)。從圖2c可以清晰看到:部分硅顆粒未能與氧化石墨均勻分散,從而發生團聚,石墨片層邊緣呈階梯狀且大小不均;由于氧化石墨處于聚集狀態,難以分散,材料尺寸顯著增大。由圖2d可見,少量碳納米管的加入對材料粒徑沒有太大影響,由于CNT的強疏水性,部分碳納米管團聚在材料表面未分散。從圖2e~f可以看到,硅顆粒的粒徑100~800 nm。由于GO的同時加入,CNT在GO/Si材料表面均勻分散,不存在圖2d中的團聚現象,說明GO的存在有利于CNT的分散。
采用X-射線光電子能譜(XPS)分析復合材料中各元素的化學狀態。如圖3a所示,CNT/GO/Si負極材料在結合能分別為98.68、150.08、284.68和531.98 eV附近出現特征峰,分別對應于Si 2p、Si 2s、C 1s和O 1s,說明材料中存在Si、C和O三種元素。進一步采用高分辨譜研究材料中各元素的化學狀態。O 1s高分辨譜去卷積后可擬合得到3個峰,分別歸屬于532.05 eV處的Si-O鍵、532.69 eV處的C-O鍵和533.68 eV處的C=O鍵(圖3b)。該樣品中硅氧化物含量較高,可能是加入碳納米管后球磨罐中進入了空氣,球磨過程中生成了部分二氧化硅。圖3c為CNT/GO/Si負極材料的Si 2p高分辨譜,去卷積后可在結合能為99.08 和102.18 eV處擬合得到2個峰,即Si-Si鍵和SiOx相關的Si-O鍵[16]。為探究球磨對GO化學狀態的影響,分別考察了GO、GO/Si和CNT/GO/Si負極材料的C 1s高分辨譜(圖3d—f)所示。對GO而言,可擬合得到4個峰(圖3d),分別是283.98 eV的C-C/C=C鍵、284.58 eV的C-OH鍵、286.28 eV的C-O鍵和288.08 eV的C=O鍵[17]。相較于GO,GO/Si和CNT/GO/Si負極材料的C 1s譜圖均可擬合得到與GO相同的峰,但C-O峰的面積明顯減少,說明氧化石墨在球磨過程中發生了還原,這與FT-IR的結果一致。另外,我們發現CNT/GO/Si樣品C=O峰面積顯著增大,可能原因是碳納米管在球磨過程中被氧化。
圖4分別給出了GO和CNT/GO/Si負極材料的Raman光譜圖。從圖4中可以看出,兩種材料均在1345 cm-1和1590 cm-1處產生了特征峰,這兩個Raman峰是石墨的D帶峰和G帶峰。其中,D帶峰代表石墨結構的邊緣缺陷,G帶峰與石墨的有序程度有關,其峰強度比值(ID/IG)常被用來評價氧化石墨的石墨化程度[11]。通過計算,GO樣品的ID/IG值為1.19,而CNT/GO/Si負極材料的ID/IG值為1.43,說明復合材料缺陷更多,石墨化程度有所下降。這些缺陷能為鋰離子擴散提供更多通道,從而提升材料性能。G帶峰高低還能反應氧化石墨層數多少[18]。從圖中可以看出,CNT/GO/Si負極材料的G峰強度明顯低于GO的G峰強度,說明氧化石墨在球磨過程中發生剝離,形成了層數更少的氧化石墨片層。此外,CNT/GO/Si負極材料的Raman光譜中出現了額外的峰,其中516 cm-1處的峰尖銳且強度高,是晶體硅的特征峰[19];302 cm-1和933 cm-1位置的峰則與Si-O鍵對應,說明負極材料中硅氧化物的存在。
2.2 電化學性能評價
采用恒電流充放電測試評價不同負極材料的電化學性能。圖5給出了原料微米硅、Si、CNT/Si、GO/Si和CNT/GO/Si四種負極材料在0.4 A/g的電流密度下充放電的循環性能。
由圖5可知,在0.4 A/g的充放電電流密度下,未經球磨的原料硅的循環性能很差。雖然首次的充電比容量超過3700 mAh/g,但是經過幾次充放電循環后,未經球磨的原料硅比容量迅速下降,25次循環后其充電比容量僅為200 mAh/g,并且首次的庫倫效率只有60%。原料經過球磨處理的首次庫倫效率達到80%,其循環時容量的衰減速率顯著降低,200個循環后,比容量保持在605.1 mAh/g,容量保持率僅20.4%。這主要是因為球磨處理顯著減小了硅顆粒的尺寸,減緩了硅在充放電過程中的體積膨脹效應。
從圖5可以看出,當加入CNT或GO后,硅負極的循環性能進一步提升,其中CNT/GO/Si電極循環200次后保持的容量最高。GO/Si、CNT/Si和CNT/GO/Si電極的首次放電比容量分別是3289.7、3356.5和3542.8 mAh/g,首次庫倫效率分別是84.5%、80.2%和82.9%,并且循環20次后庫倫效率都已超過99%。200個循環后,放電比容量分別是1556.6、1296.1和1884.8 mAh/g,容量保持率分別是47.3%、38.6%和53.2%。相比于Si,CNT/Si、GO/Si和CNT/GO/Si電極的首次庫倫效率都增加了,CNT和GO的加入即可提升硅負極的循環穩定性,主要歸因于材料三維導電網絡的構成。兩者的混合球磨,在增大氧化石墨的層間距的同時,還能減少碳納米管的團聚效應,提升材料整體導電率[20]。
為探究不同CNT和GO含量對CNT/GO/Si負極材料循環性能和倍率性能的影響,對不同實驗條件下的CNT/GO/Si負極材料分別進行了恒流充放電測試(圖6a、b)和倍率性能測試(圖6c、d)。由圖6a、c可知,當CNT的添加量為0.5%時,在0.4 A/g的充放電電流密度下,氧化石墨含量為3%、5%和10%時,電極首次庫倫效率分別為79.2%、80.1%和84.2%。經過200個循環,三者的放電比容量保持在1800.5、1765.1和1675.9 mAh/g。由倍率性能圖6c可知,氧化石墨含量10%的電極倍率性能最好:它在0.1 A/g的電流密度下,首次放電比容量為3893.7 mAh/g;經過10個循環后,比容量保持在2735.1 mAh/g;當在0.2、0.5、1.0、1.5、2.0 A/g的電流密度進行充放電時,放電比容量分別為2484.6、2153.1、1771.6 、1403.2、1235.6 mAh/g;當電流密度恢復至0.1 A/g時,比容量恢復到2314.4 mAh/g,與第二次循環相比,容量恢復率為73.7%,說明材料具有較好的倍率性能。進一步增加CNT/GO/Si負極材料中CNT的含量至1%,考察GO對材料性能的影響(圖6b、d)。由圖6b可知,在0.4 A/g的充放電電流密度下,氧化石墨含量為3%、5%和10%的電極首次庫倫效率分別為82.9%、91.2%和86.0%,較CNT添加量為0.5%時均有一定的提高。復合材料經過200個循環后,GO含量為3%的電極放電比容量最高,為1884.8 mAh/g,較CNT添加量為0.5%時有一定的增加。
由圖6d可知,氧化石墨含量5%的電極倍率性能最好:它在0.1 A/g的電流密度下,首次放電比容量為4024.2 mAh/g;經過10個循環后,比容量保持在2897.1 mAh/g;再在0.2、0.5、1.0、1.5、2.0 A/g的電流密度下各經過5個循環,放電比容量分別為2740.5、2445.3、2081.6、1742.7、1459.8;電流密度重新回到0.1 A/g時,比容量恢復到2556.3 mAh/g,與第二次循環相比,容量恢復率為75.4%,這說明材料在經過大電流充放電之后表現出良好的穩定性。由以上分析可知,CNT含量不變的情況下,隨著氧化石墨含量的增加,CNT/GO/Si負極材料的循環性能逐漸下降,倍率性能逐漸上升,說明少量的氧化石墨在大的充放電倍率下不足以維持結構穩定,過量的氧化石墨由于不易分散,長期循環穩定性不佳。此外,CNT/GO/Si負極材料的電化學性能隨CNT含量的增加而提高,說明在GO/Si負極材料表面二次包覆碳納米管能有效提升材料導電性,從而提升其長期循環穩定性及倍率性能。
采用循環伏安法(CV)研究了鋰離子在不同硅負極材料中的脫嵌行為。圖7是Si和CNT/GO/Si電極在電壓范圍為0.01~1.5 V、掃速為0.1 mV/s時前4次的CV曲線。從圖中可以看出,在首圈的負掃時,兩組樣品均出現代表SEI形成的還原峰;從第2圈開始,Si和CNT/GO/Si電極在0.2 V附近出現還原峰,該還原峰為鋰離子進入硅形成硅鋰合金的過程,當電壓正向掃描時,在0.37 和0.52 V附近出現兩處明顯的氧化峰,對應于非晶態鋰硅合金與非晶態硅之間相互轉變的過程[21]。隨著循環次數的增加,氧化還原峰峰位置基本保持不變,同時峰值電流逐漸變大,說明從第2次循環開始,鋰的嵌入和脫嵌是在非晶態鋰硅合金和非晶態硅之間進行,且硅存在一個逐漸合金化的活化過程。CNT/GO/Si負極材料的CV曲線出現的氧化峰和還原峰與Si的基本一致,但是電流有一定增加,說明CNT/GO/Si負極材料中硅的脫嵌鋰活性更高。
圖8為Si和CNT/GO/Si負極材料的交流阻抗譜(EIS),其測試頻率范圍為10-2~105 Hz。從圖中可以看到,Si和CNT/GO/Si負極材料的阻抗曲線均由一段半圓弧和一條傾斜的直線組成,分別表示鋰離子的電荷轉移過程和擴散過程。CNT/GO/Si曲線中半圓弧的直徑較Si小,說明鋰離子在該材料中具有更快的電荷轉移速率。采用圖8a中的等效電路對阻抗曲線進行擬合,其中Rs、Rct、CPE和W分別表示電池的內阻、鋰離子的電荷轉移電阻、恒相位角元件和擴散阻抗,擬合結果如表2所示。由表2知,Si和CNT/GO/Si電極體系的電阻Rs分別是2.4、2.2 Ω;電荷轉移阻抗Rct分別是175.5、160.3 Ω,CNT/GO/Si負極材料比Si的電荷轉移阻抗更小,說明CNT和GO的加入有利于鋰離子表面發生電荷轉移過程,這可能是由于CNT和還原后的GO能夠為電子遷移提供更多的有效途徑,從而改善電極電阻。
電化學阻抗譜的實部Z′與阻抗的低頻區的頻率滿足
Z=Rs+Rct+σω-1/2(1)
式中,ymbolsA常數,與鋰離子的擴散系數DLi滿足
DLi=R2T22A2n4F4C2Liσ2(2)
其中: R為氣體常數, 取值8.314; A是電極表面積, 取1.131 cm2;T是絕對溫度, 取298 K; n是反應過程中轉移的電子數, 取值1; F是法拉第常數, 取值96500; C是鋰離子的物質的量濃度, 取值5.25×10-3。
根據方程(1)在低頻區阻抗的實部Z′與ω-1/2關系曲線(圖8b),擬合可得Si與CNT/GO/Si負極材料的Warburg常數SymbolsA@:SymbolsA@1=556 Ω s-1/2和SymbolsA@2=421 Ω s-1/2。進一步計算鋰離子的擴散系數(表2),可知CNT/GO/Si負極材料的鋰離子擴散系數高于Si,說明CNT和GO的加入可以提高鋰離子擴散系數,從而提高硅的電化學性能。
3 結論
本文以廉價的微米硅作為原料,將氧化處理得到的氧化石墨以及碳納米管分批加入微米硅中,采用球磨法制備了CNT/GO/Si負極材料。球磨處理既能減小硅顆粒尺寸,降低其體積膨脹效應,又能促使氧化石墨還原和剝離成石墨烯,同時能夠促進碳納米管、還原氧化石墨烯、硅顆粒的相互分散,并且為循環過程中硅的體積變化提供更多的空間,碳納米管在硅顆粒與氧化石墨之間以及硅顆粒之間建立三維導電框架。通過考察碳納米管和氧化石墨的添加量對硅負極電化學性能的影響,結果發現碳納米管最佳添加量為1%,氧化石墨最佳添加量為5%。該負極材料制備的CNT/GO/Si負極材料具有最佳的電化學性能,其200次充放電循環后,容量的保留率為49.7%。
[ 參 考 文 獻 ]
[1] LIU X, LU J, JIANG J, et al. Enhancing lithium storage performance by strongly binding silicon nanoparticles sandwiching between spherical graphene[J]. Applied Surface Science, 2021, 539: 148191.
[2] CHOI W J, REDDYPRAKASH M, LOKA C, et al. Carbon coated Si-metal silicide composite anode materials prepared by high-energy milling and carburization for Li-ion rechargeable batteries[J]. Journal of The Electrochemical Society, 2018, 166(03): A5131.
[3] ZHU B, JIN Y, TAN Y, et al. Scalable production of Si nanoparticles directly from low grade sources for lithium-ion battery anode[J]. Nano Lett, 2015, 15(09): 5750-5754.
[4] LI C, ZHANG P, JIANG Z. Effect of nano Cu coating on porous Si prepared by acid etching Al-Si alloy powder[J]. Electrochimica Acta, 2015, 161: 408-412.
[5] XIE X, TIAN S, GUO W, et al. In situ polymerization of aniline to prepare porous micro-nanostructure anode of graphene wrapping silicon and polyaniline for lithium ion batteries[J]. Ionics, 2022, 28(05): 2203-2211.
[6] MI H, LI F, HE C, et al. Three-dimensional network structure of silicon-graphene-polyaniline composites as high performance anodes for Lithium-ion batteries[J]. Electrochimica Acta, 2016, 190: 1032-1040.
[7] LI Q, CHEN D, LI K, et al. Electrostatic self-assembly bmSi@C/rGO composite as anode material for lithium ion battery[J]. Electrochimica Acta, 2016, 202: 140-146.
[8] HAN M, LIN Z, JI X, et al. Growth of flexible and porous surface layers of vertical graphene sheets for accommodating huge volume change of silicon in lithium-ion battery anodes[J]. Materials Today Energy, 2020, 17: 100445.
[9] FU K, YILDIZ O, BHANUSHALI H, et al. Aligned carbon nanotube‐silicon sheets: A novel nano‐architecture for flexible lithium ion battery electrodes[J]. Advanced Materials, 2013, 25(36): 5109-5114.
[10] JESUS G C, FELIPE C B. Graphene oxide powders with different oxidation degree, prepared by synthesis variations of the Hummers method[J]. Materials Chemistry and Physics, 2015, 153: 209-220.
[11] TANG F, JIANG T, TAN Y, et al. Preparation and electrochemical performance of silicon@graphene aerogel composites for lithium-ion batteries[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 854: 157135.
[12] LEE J K, SMITH K B, HAYNER C M, et al. Silicon nanoparticles-graphene paper composites for Li ion battery anodes[J]. Chemical Communications, 2010, 46(12): 2025-2027.
[13] SZAB T, TOMBCZ E, ILLS E, et al. Enhanced acidity and pH-dependent surface charge characterization of successively oxidized graphite oxides[J]. Carbon, 2006, 44(03): 537-545.
[14] 黃橋, 孫紅娟, 楊勇輝. 氧化石墨的譜學表征及分析[J]. 無機化學學報, 2011,27(09): 1721-1726.
[15] 馬少寧,侯佼,王興蔚,等.硅表面氧化增強硅炭復合負極材料性能研究[J]. 炭素技術,2022,41(01): 28-31.
[16] CABELLO M, GUCCIARDI E, HERRáN A, et al. Towards a high-power Si@graphite anode for lithium ion batteries through a wet ball milling process[J]. Molecules, 2020, 25(11): 2494.
[17] WANG M,WANG G,WANG S,et al.In situ catalytic growth 3D multi-layers graphene sheets coated nano-silicon anode for high performance lithium-ion batteries[J].Chemical Engineering Journal,2019,356:895-903.
[18] 李嘉,石峰暉,呂晶,等.電弧法制備石墨烯材料的表征與評價[J].復合材料學報,2015,32(06):1658-1662.
[19] WU J,QIN X,ZHANG H,et al.Multilayered silicon embedded porous carbon/graphene hybrid film as a high performance anode[J].Carbon,2015,84:434-443.
[20] 顧哲明, 李小慧, 胡欣欣, 等. 氧化石墨/碳納米管雜化材料的合成及導電性能研究[J]. 功能材料, 2013,44(06): 805-808.
[21] LIU X, SHEN C, LU J, et al. Graphene bubble film encapsulated Si@C hollow spheres as a durable anode material for lithium storage[J]. Electrochimica Acta, 2020, 361: 137074.
Preparation of Silicon-based Anode Material by Ball Milling and Its
Enhanced Lithium Storage Performance
QIN Yuan, ZHAO Chunling
(School of Material Science and Chemical Engin., Hubei Univ. of Tech., Wuhan 430068, China)
Abstract: Carbon nanotube/reduced graphene oxide/silicon anode material was prepared using the low-cost micron silicon as the raw material by using the high-energy ball milling method which is easy to scale up and high efficiency. Scanning electron microscopy, X-ray diffraction, Fourier transform Infrared spectroscopy and electrochemical testing techniques were used to investigate the crystal structure, morphology and electrochemical properties of materials. The results show that the ball milling process can not only reduce the size of silicon particles, but also promote the partial reduction and exfoliation of graphite oxide, so that it can be transformed into graphene. When the addition of carbon nanotubes is 1% and the addition of graphite oxide is 5%, the prepared negative electrode material has good electrochemical performance. After cyclig 200 times at a current density of 0.4 A/g, a discharge specific capacity of 1779.7 mAh/g is maintained. This is mainly because carbon nanotubes and reduced graphene oxide can establish a highly efficient conductive network in the silicon anode, increasing the electron transfer rate, and at the same time, carbon nanotubes and reduced graphene oxide can reduce the charge transfer resistance of lithium ions and improve the diffusion of lithium ions during the lithium intercalation into silicon negative electrode.
Keywords: carbon nanotubes; graphite oxide; silicon-based materials; lithium-ion batteries; ball milling
[責任編校: 張 眾]
[收稿日期] 2023-05-22
[基金項目] 大學生創新創業訓練計劃項目(201710500024)
[第一作者] 秦 圓(2000-), 女, 湖北荊州人, 湖北工業大學碩士研究生, 研究方向為電化學儲能材料的制備與改性。
[通信作者] 趙春玲(1971-), 女, 山東齊河人, 湖北工業大學講師, 研究方向為電化學儲能材料的制備與改性。
[文章編號] 1003-4684(2024)05-0100-08