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硅藻土用作锂电池硅基负极材料的试验研究

2019-03-07    来源:    
锂电池负极材料功能的好坏限制着锂电池的功能,而硅的理论容量和安全性都高于石墨,被认为是最有远景的锂电池负极材料。硅藻土的主要成分为SiO2,具有杰出的孔径结构,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。硅藻土具有共同多级开孔结构,孔径以大孔为主,含有少数介孔,孔径散布规模较广,孔结构优秀,故硅藻土是锂电池优秀的负极材料。

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质料,经破坏、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℃)、酸洗和枯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

图3 不同阶段硅藻土的XRD图谱
硅藻土提纯各过程的XRD见上图3所示,其间图3 a为550℃高温锻烧后的硅藻土,与原土比较将有机杂质烧掉;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已显着显现出来,此刻将Al、Fe等矿藏杂质构成可溶性盐类去除,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必定质量比混合,混合后金属镁的衍射峰极为显着;图3 d为镁热复原反响处理后下方所得单质硅的衍射峰,显着可以看出此刻SiO2和金属镁的反响极端充沛,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功能比照
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,自身所具有的多孔结构使得最终得到的单质硅坚持这种结构,为锂离子的嵌入和脱出供给更为晓畅的途径,并且单质硅的颗粒尺度也显着小于商业硅,这些都可以缓解在反响过程中带来的体积胀大,有利于进步锂离子电池的电化学功能。

图4 硅藻土多孔硅与商业硅的容量和循环次数
图4中给出了硅藻土多孔硅与商业硅的循环功能比照,尽管多孔硅的初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峻,在屡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。可以得出这样的定论:由硅藻土制得的具有多孔结构的单质硅可以在必定程度上缓解硅的体积胀大,从而使锂离子电池的电化学功能得到必定程度的进步。
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、充放电循环功能上具有必定的优势,将硅藻土特殊的介孔通道结构使用于锂离子电池的负极材料,使其电化学功能具有必定的改进,满意了锂离子混合超级电容器的规划要求,为后续在混合超级电容器方面的使用供给了新的思路。
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