2.1 复合材料的物理表征分析
图1为单质铜和硅铜合金的SEM图. 由图1(a)可见,单质铜呈疏松、纤维状的结构,直径大小分布为10~50 nm. 这种结构不仅有利于电解液的渗透,还可以缓冲硅材料电化学过程中的体积变化. 由图1(b)可见,经过球磨后,颗粒表面均匀,这种结构有利于材料在循环过程中机械应力的的释放,缓解了硅电极在嵌脱锂过程中的体积效应. 由图1(c)和图1(d)可见,经过碳层包覆后,形成均匀的颗粒,有利于缓解应力,抑制了硅电极在嵌脱锂过程中的体积效应. 随着纳米硅粉量的增加,合金负极材料会有明显裸露的纳米硅,电极在循环过程中的电化学性能会迅速衰退. 当加入苯胺的量为0.45 mL时,硅铜材料表面包覆均匀,有利于提高复合负极材料的导电性,增强复合负极材料与电解液的接触.预期这种电极材料可有效减少副产物的生成,生成稳定的固体电解质界面(solid electrolyte interface, SEI)膜[15].
图1 单质铜和硅铜合金的SEM图
Fig.1 SEM images of copper and sillicon copper alloy
图2为不同放大倍数的Si-Cu/(N-C)0.45复合材料透射电镜图.从图2(a)可见,硅纳米颗粒(黑影)周围包覆着碳层. 从图2(b)可见,包覆的碳层有明显的层状结构. Si-Cu/(N-C)0.45复合负极材料使得这种核-壳结构致密、稳定,大大缓解了硅电极在嵌脱锂过程中的体积膨胀,有效降低了硅电极在循环过程的接触阻抗,从而提高硅基电极的电化学性能[16-17].
图2 Si-Cu/(N-C)0.45的TEM图
Fig.2 TEM images of Si-Cu/(N-C)0.45
图3(a)为Si和Cu掺杂比例不同时的复合负极材料的X-射线衍射(X-ray diffraction, XRD)图谱.从图3(a)可见,随着硅的增加,铜的特征峰强度逐渐消弱,但Cu2O的峰值逐渐增大.可见材料随着n(Si)/n(Cu)的增大并不能生成硅铜合金相,反而会使Cu2O的含量升高. XRD结果证明,通过简单的机械球磨,并不能形成Si和Cu的合金相,只能使单质Cu和纳米Si混合均匀(本研究定义为不相容合金).
图3 不同负极材料的XRD谱图
Fig.3 XRD patterns of difference anode materials
图3(b)为Si-Cu/(N-C)x(x分别为0.15、0.30、0.45、0.60和0.75)复合负极材料的XRD谱图.由图3(b)可见,聚苯胺经过700 ℃,N2保护煅烧,形成无定型碳,没有碳的特征峰. Si-Cu/(N-C)x复合负极材料和Si1.5-Cu材料的峰位一致,说明在700 ℃下煅烧Si-Cu/(N-C)x并没有生成Si-C惰性相和其他相. 在此条件下制备出的Si-Cu/(N-C)x复合负极材料,硅和铜的特征峰强度增大,归因于过量的聚苯胺自发组成球状,使得单质硅铜裸露出来,从而峰强度增加. 当x=0.45时,材料表面均匀包覆一层碳,有利于提高复合负极材料的导电性,增强复合负极材料与电解液的接触,减少副产物的生成,生成稳定的SEI膜,从而使该材料表现出优异的电化学性能和长期循环性能.
2.2 复合材料的电化学性能分析
图4(a)为Si和Cu物质的量比分别为0.5:1、1:1、1.5:1、2:1和2.5:1时,合金负极材料在0~2.0 V内的循环性能图. 负极材料的首次放电比容量分别为732.1、996.8、1018.6、1 115.7和1 279 mAh/g. 第2次放电比容量分别为487.1、606.5、645.1、598.4和573.4 mAh/g. 100次循环之后,放电比容量分别为375.4、444.8、499.2、410.7和418 mAh/g. 当硅与铜的物质的量比为1.5:1 时,合成的负极材料在100次循环后,放电比容量依然有499.2 mAh/g,容量保持率为77.38%.每次循环的容量衰减率仅为0.22%,该负极材料表现出较佳的循环性能. 这是由于金属Cu经过简单的机械球磨后,惰性组分Cu能够有效地包覆在Si表面,形成互不相容合金,在一定程度上缓解了硅电极的体积效应,提高了硅负极材料的循环稳定性.通过在0.05、0.10、0.25、0.50、1.00、2.50和0.05 mA/cm2电流密度下进行测试,探讨在不同电流密度下,材料放电比容量及容量保持率的变化,发现硅与铜的物质的量比为1.5:1时,具有最佳的倍率性能,见图4(b).
图4(c)为Si-Cu/(N-C)x(x分别为 0.15、0.30、0.45、0.60和0.75)复合负极材料在0~2.0 V内的循环性能图.从图图4(c)可见,复合负极材料的首次放电比容量分别为1 430.9、1 368.3、1 147.7、1 052.1和880.7 mAh/g. 第2次放电比容量分别为994.2、1 052.2、972.6、826.5和640.7 mAh/g. 100次循环之后,放电比容量分别为671.1、802.2、857.9、571.5和447.9 mAh/g. 在100次循环后Si-Cu/(N-C)0.45的容量仍高达857.9 mAh/g,容量保持率为88.2%,每次循环的容量衰减率仅为0.118%,表现出较佳的循环性能. 首次放电效率和容量保持率都是随着碳含量的增加先增大后减小,规律一致. 碳材料中氮掺杂通常以3种形式存在,石墨化氮对碳基材料的电子导电性有很大贡献,而吡咯氮和吡啶氮可以为锂离子存储提供活性位点. 当Si-Cu/(N-C)x中x为 0.15和0.30时,因聚苯胺加入量不足和前驱体分散不均匀,使得化学原位聚合时硅铜前驱体未能均匀包覆,虽然首次放电比容量高,但裸露部分的硅铜电极材料迅速降低了容量保持率. 当Si-Cu/(N-C)x中x为 0.60和 0.75 时,过量的聚苯胺自身组装成球,使得单质铜纳米硅裸露,导致电极材料的比表面积大和嵌脱锂过程中机械应力释放不均,生成结构不稳定的SEI薄膜,使得活性材料从集流体表面脱落,导致容量衰减.
图4 不同负极材料的循环性能
Fig.4 Cycle performance of difference anode materials
图4(d)为Si1.5-Cu/(N-C)x(x分别为0.15、0.30、0.45、 0.60和0.75)复合负极材料在0.05、0.10、0.25、0.50、1.00、2.50 和0.05 mA/cm2 电流密度下的循环性能图. 当电流密度较小时,复合材料的放电比容量较高,随着电流密度的增大,放电比容量随之降低.当电流密度回到0.05 mA/cm2时,Si1.5-Cu/(N-C)x(x分别为 0.15、0.30、0.45、0.60和0.75)复合负极材料的放电比容量也大大提高,容量恢复率均在90% 以上,和初始时的容量大约一致.其中, x为0.45时,放电比容量恢复率高达到98.48%,表现出良好的倍率性能. 小电流密度循环可以充分激活材料,提高材料的利用率,从而提高放电比容量; 大电流密度会导致电极电解液界面吸附大量的电解质离子,从而产生浓差极化,使锂离子的扩散速率远低于电子的定向移动速率,引起电压滞后,导致电极比容量下降. 当电流回到0.05 mA/cm2时,极化减小,锂离子的扩散速率和电子的定向移动速率相当,显示出较高的比容量.
图5对比了Si、Si1.5-Cu和Si1.5-Cu/(N-C)0.45负极材料的首次充放电曲线,发现Si1.5-Cu和 Si1.5-Cu/(N-C)0.45材料在0.75 V处存在还原平台.这归因于Cu2O向单质Cu的转化,表明Cu2O在电化学过程中存在嵌脱锂反应,在一定程度上降低了该类负极材料的首圈库伦效率和放电比容量.
图5 不同负极材料的首次充放电曲线
Fig.5 The initial charging/discharging curves of different anode materials
通过循环伏安分析了化学反应过程,结合图6(a)和图6(b)可知,当x=0.45时,首次阴极扫描过程中,0.5 V左右有个很宽的宽峰,该宽峰在后续扫描过程中并没有出现,因此可以认为电解液在该电位附近发生了还原分解,表明SEI膜的形成. Si1.5-Cu合金负极材料的循环伏安曲线在0.5 V同样出现宽峰,且在后续循环中继续存在,说明这种含氮掺杂碳的Si-Cu/(N-C)0.45在一定程度上抑制了Si-Cu/(N-C)0.45电极与电解液界面反应生成SEI膜过程中的副反应. 此外,氮掺杂可抑制SEI膜表面的团聚,提高电极表面SEI膜的均匀度和致密度,从而形成了稳定的SEI薄膜[18-19]. 另外,Si-Cu/(N-C)0.45在0.05 V附近有个还原峰,该峰对应于锂嵌入晶体硅中形成非晶态LixSi. 阳极扫描过程中在0.35 V和0.50 V附近出现两个峰,分别对应锂的嵌脱过程及非晶态LixSi向晶态硅转变的过程[20-21]. 0.05 V的还原峰在后续扫描过程中无明显移动,而图6(a)明显看到峰位的移动,证明这种氮掺杂碳包覆的Si-Cu/(N-C)x复合负极材料有良好的可逆性.
图6 循环伏安曲线
Fig.6 CV curves of the electrode
硅和铜的物质的量比分别为0.5:1、1:1、1.5:1、2:1 和2.5:1时,Si-Cu负极材料在开路电压时的交流阻抗谱图见图7(a). 其中,Z'和Z″分别表示阻抗的实部和虚部.阻抗谱由一段半圆弧和一条斜线组成,随着Si的增多,半圆弧的半径逐渐增大. 从图7(a)可知,Si和Cu的物质的量比分别为0.5:1、1:1、1.5:1、2:1和2.5:1时,复合材料的阻值分别为52.6、 175.1、226.2、286.4和366.2 Ω. 表明随着Si含量的增加,材料的导电性降低,从而增加电极材料相间接触阻抗. 图7(b)为Si1.5-Cu/(N-C)x(x分别为0.15、0.30、0.45、0.60和0.75)复合负极材料在开路电压时的交流阻抗曲线. 在开路电压时,电极未发生嵌锂反应,电极表面电荷的传输以及锂离子的迁移均未发生,因此只存在溶液阻抗和相间接触阻抗. 曲线主要由高频区半径较大的半圆弧和低频区的斜线组成,高频区的半圆弧表示为相间接触阻抗,低频区的斜线的斜率表示为溶液阻抗[22-23]. 随着x的增加,高频区半圆弧的半径依次减小,这是因为随着碳含量的增加,电极材料的导电提高,相间接触电阻变小.低频区斜线的斜率先变大再变小,表明适当的碳层包覆有利于降低溶液电阻,从而增大锂离子在电极材料中的扩散.
图7 材料的交流阻抗曲线
Fig.7 Nyquist plots of the electrodes