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新型燒結(jié)技術(shù)突破者Regenerative furnace expert
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碳與硅相近似的化學(xué)性質(zhì)，為兩者的緊密結(jié)合提供了理論依據(jù)，所以碳常用作與硅復(fù)合的首選基質(zhì)。硅通常與石墨、石墨烯、無定型碳和碳納米管等不同的碳基質(zhì)制備復(fù)合材料。在硅碳復(fù)合的體系各組分作用為：
硅：主要作為活性物質(zhì)，提供容量；
碳材料：一般作為分散基質(zhì)，限制硅顆粒的體積變化，并作為導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)維持電極內(nèi)部良好的電接觸。
▲多孔納米硅碳復(fù)合材料用于鋰電池負(fù)極材料示意圖
理論上，硅/碳復(fù)合材料儲(chǔ)鋰容量高，導(dǎo)電性能好，但要成為可商用的鋰離子電池負(fù)極材料，面臨著兩個(gè)基本的挑戰(zhàn)：循環(huán)穩(wěn)定性差和可逆循環(huán)容量保持率低。
目前，硅/碳復(fù)合負(fù)極材料制備方法主要有：化學(xué)氣相沉積法、溶膠凝膠法、高溫?zé)峤夥āC(jī)械球磨法和水熱合成法。
▲化學(xué)氣相沉積法制備硅/碳復(fù)合材料示意圖
CVD法制備硅/碳復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)是：硅碳兩組分間連接緊密、結(jié)合力強(qiáng)；充放電過程中活性物質(zhì)不易脫落；具有優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性和更高的首次庫倫效率；碳層均勻穩(wěn)定、不易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象；設(shè)備簡單，復(fù)合材料雜質(zhì)少，反應(yīng)過程環(huán)境友好。
缺點(diǎn)是：工藝條件不易控制，產(chǎn)物產(chǎn)量少，工業(yè)化生產(chǎn)還需進(jìn)一步研究。
溶膠凝膠法制備硅/碳復(fù)合材料主要有兩種方式：
將硅顆粒分散于碳凝膠中，制備得到具有三維碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征的硅/碳納米復(fù)合材料。
利用正硅酸四乙酯為硅源，通過改性溶膠凝膠法結(jié)合鎂熱還原法等方法，制備得到具有3D構(gòu)架的硅/石墨烯納米復(fù)合材料。
▲3D構(gòu)架的硅/石墨烯納米復(fù)合材料
高溫?zé)峤夥ㄊ悄壳爸苽涔?碳復(fù)合材料最常用的方法，其工藝過程是以SiCl4為原料，采用金屬鎂熱還原方法得到多孔硅，再在惰性氣氛下，通過高溫?zé)峤夥ㄟM(jìn)行有機(jī)碳的包覆，制備出多孔硅/碳復(fù)合材料。
▲多孔硅/碳復(fù)合材料SEM圖片
機(jī)械球磨法是以硅粉、石墨與石油瀝青粉體為原料，混合后球磨，然后在氬氣氣氛下在1000 ℃下進(jìn)行熱處理制備硅/碳復(fù)合材料。
該方法優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡單、成本低、效率高，適合工業(yè)生產(chǎn)等優(yōu)勢；制備的的復(fù)合材料粉體顆粒粒度小、各組分分布均勻。
缺點(diǎn)是：粉體顆粒易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。
水熱合成法一般采用小分子有機(jī)物為碳源，將其與硅粉在溶液中超聲分散均勻后，在密封的高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)，再在高溫下碳化即制得硅/碳復(fù)合材料。
水熱合成法優(yōu)點(diǎn)是：操作簡便，產(chǎn)物純度高，分散性好、粒度易控制。
缺點(diǎn)是：耗能高、產(chǎn)量低，不適合批量生產(chǎn)。
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