3D多孔結(jié)構(gòu)在電極載體方面的應(yīng)用

3D多孔結(jié)構(gòu)

多孔材料具有多孔和高比表面積的特點(diǎn)，在電極載體方面有著重要的應(yīng)用。經(jīng)過對(duì)結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)和可控的化學(xué)合成可以得到3D多孔的Si/C納米復(fù)合結(jié)構(gòu)體系。3D多孔Si/C納米結(jié)構(gòu)有更好的電化學(xué)穩(wěn)定性，3D碳網(wǎng)絡(luò)大大提高了體系的導(dǎo)電性，多孔特性極大地增加了材料的比表面積，增加了反應(yīng)位點(diǎn)，縮短了鋰離子的擴(kuò)散距離，而內(nèi)部的孔隙空間可以緩沖硅合金化帶來的劇烈體積變化。

Xin等采用溶膠凝膠法向氧化石墨烯（GO）溶液中加入正硅酸乙酯（TEOS）制備出SiO2@GO納米片，經(jīng)鎂熱還原后與氧化石墨烯混合進(jìn)行噴霧干燥、保護(hù)氣氛下煅燒還原得到3D多孔Si@G材料。隨著電流密度從100mA/g增加到1A/g，該多孔材料的比容量基本穩(wěn)定在900mAh/g，在5A/g和10A/g的大電流密度下循環(huán)使用100次以上，比容量仍保持在300mAh/g。

在制備3D多孔Si/C結(jié)構(gòu)的過程中，對(duì)3D多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行蒸發(fā)干燥以及制備電極進(jìn)行的研磨處理可能會(huì)導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)的塌陷，這一問題嚴(yán)重影響到了材料的電化學(xué)性能。Zhang等［2］首先通過水熱合成法制備了Si/rGO水凝膠，之后通過對(duì)其進(jìn)行0h、2.5h、3.5h、4.5h不同時(shí)間的蒸發(fā)干燥及最后的冷凍干燥處理，得到不同孔徑的3D多孔結(jié)構(gòu)Si/rGO復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)干燥時(shí)間延長會(huì)導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)萎縮變小，孔徑很大的情況下進(jìn)行研磨會(huì)導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)的坍塌、石墨烯的堆疊。該種多孔材料50mA/g的電流密度下，經(jīng)過100次循環(huán)，比容量保持在1563mAh/g，倍率性能數(shù)據(jù)顯示，在2A/g的電流密度下，比容量為955mAh/g。

研究證明，在Si材料外部直接包覆的碳層可能會(huì)在Si的鋰化反應(yīng)中被脹破，進(jìn)而失去對(duì)內(nèi)部Si材料的保護(hù)作用。Lu等［3］利用SiO高溫條件下的歧化制備了一種非填充的碳包覆多孔硅材料，解決了碳?xì)け幻浧频膯栴}，如圖1所示。

圖1 介孔Si微粒（pSiMPs）的碳包覆設(shè)計(jì)示意圖及其在循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)演變示意圖

首先給商業(yè)SiO顆粒包上一層間苯二酚-甲醛樹脂（RF），隨后在950°C保護(hù)氣氛下進(jìn)行熱解，在加熱過程中，由于SiO的熱歧化作用，SiO中的相分離，形成嵌入SiO2基質(zhì)中的互連的Si納米粒子，同時(shí)外包層RF發(fā)生碳化，后續(xù)用氫氟酸去除SiO2基質(zhì)得到非填充的碳包覆的多孔硅材料。這種材料具有極好的循環(huán)穩(wěn)定性和高的可逆比容量，在電流為0.25C下，經(jīng)過1000次循環(huán)比容量保持在1500mAh/g。對(duì)于非填充包覆，碳?xì)げ⒉话苍诿恳粋€(gè)Si納米顆粒上，而是對(duì)很多Si納米顆粒整體包覆，中間留有大量空隙，故而碳?xì)げ粫?huì)在鋰化反應(yīng)中被脹破。

Xu等同時(shí)使用電紡和電噴射兩種工藝制備出一種柔性3D Si/C纖維紙電極，團(tuán)簇狀的Si/C納米顆粒均勻分布內(nèi)嵌到碳纖維網(wǎng)狀基體中形成納米Si/C復(fù)合纖維紙，碳纖維骨架保證了整張纖維紙良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)電極材料是涂布在金屬箔片上的，反復(fù)彎折會(huì)造成活性物質(zhì)脫落，甚至電池短路。這種柔性的Si/C復(fù)合纖維紙一方面具備Si/C復(fù)合材料的高能量密度和良好的電子電導(dǎo)等優(yōu)點(diǎn)，另一方面，它無需涂布即可用作電極，簡化了電極片的制備工藝。此外，它還具備超薄、可彎折的優(yōu)點(diǎn)，在可穿戴電子產(chǎn)品方面具有一定的潛在價(jià)值。

當(dāng)前報(bào)道的很多硅/碳材料都存在制備過程較為復(fù)雜、工藝條件要求苛刻等缺點(diǎn)， 不適合商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。Zhang等［5］采用Rochow反應(yīng)制備了可適用于規(guī)?；a(chǎn)3D多孔Si/C復(fù)合材料。將銅粉、鋅粉和硅粉進(jìn)行混合，隨后通入CH3Cl，在400°C條件下反應(yīng)30h后，收集體系中的固體殘?jiān)⒂孟跛崛コ~催化劑等雜質(zhì)，得到3D多孔Si/C復(fù)合材料。這種方法得到的多孔Si/C復(fù)合材料產(chǎn)率為35%，為3D多孔Si/C材料的大規(guī)模工業(yè)化制備提供了途徑。

原文標(biāo)題：鋰電負(fù)極專題：硅碳材料改性之3D多孔結(jié)構(gòu)

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