硅纳米碳管复合锂离子电池负极材料的制备及电化学性能研究.docx

硅纳米碳管复合锂离子电池负极材料的制备及电化学性能研究
摘要
本文研究了一种新型的硅纳米碳管复合材料作为锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能。通过纵向合成技术制备硅纳米管，再与碳纳米管复合制备硅纳米碳管。通过SEM、TEM、XRD、Raman等测试表征了材料的结构。在3V电位下进行了循环伏安(CV)和恒电流充放电测试，研究了该材料电化学性能。结果表明，硅纳米碳管的结构可以提高锂离子电池的嵌入和嵌出效率，提高电池循环性能。
关键词：硅纳米碳管，复合材料，锂离子电池，负极材料，电化学性能
引言
随着科技的进步，能量密度高、环境友好的锂离子电池越来越受到重视。对于锂离子电池而言，电极材料的性能是决定电池性能的关键因素。目前，电池的钴酸锂正极材料已基本发展成熟，但负极材料的问题仍待解决。传统的负极材料如石墨，具有容量低、循环性能差等缺点。因此，开发新型的负极材料，提高容量和循环性能，是当今锂离子电池研究的热点之一。
硅材料因为其高理论容量，被认为是一种潜在的锂离子电池负极材料。但是，硅材料的剧烈体积变化和容易与电解液发生反应等问题，限制了其在锂离子电池中的应用。因此，研究如何克服这些问题，提高硅材料的电化学性能，是当前研究的热点。
硅纳米管和碳纳米管因其具有优异的电化学性能、良好的机械性能和导电性，被广泛用作锂离子电池负极材料的复合体系。硅纳米管的空心结构和碳壳的保护可以有效地缓解硅材料的体积变化和容易与电解液发生反应的问题，从而提高硅材料的循环性能和嵌入嵌出效率。因此，硅纳米碳管作为锂离子电池负极材料备受研究者的关注。
本文以硅纳米碳管为研究对象，通过纵向合成技术制备硅纳米管，再与碳纳米管复合成硅纳米碳管，研究了其结构和电化学性能，为开发新型的负极材料提供了一种新思路。
实验部分
材料的制备
硅纳米管的制备采用纵向合成技术，具体方法为：在室温下，向乙二醇溶液中加入4毫升氢氧化钠（NaOH）溶液，并搅拌均匀。然后加入目标硅片片为3-4毫米，用真空加热技术，在1100°C下合成硅纳米管。
硅纳米碳管的合成采用简单的化学还原法制备。将制备好的硅纳米管与碳纳米管混合，与硫化氢（H2S）气体反应，得到硅纳米碳管复合材料。制备后的材料以苯作为分散剂，并在真空干燥箱中烘干。
实验测试
通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、Raman谱图等对所制备材料的结构进行表征。通过循环伏安法（CV）和恒流充放电法测试材料的电化学性能，其中充放电的扫描比在0.01C至5C之间。
结果与分析
SEM和TEM图像显示，所制备的硅纳米管和硅纳米碳管均具有长度为10至20微米的单一微管的形状，并呈现出典型的空心结构。XRD结果表明，硅纳米管和硅纳米碳管复合材料的晶体结构为典型的立方晶系结构，符合硅材料的特征。
Raman谱图重点关注硅纳米管材料的碳元素峰和硅元素峰的情况。硅纳米碳管在1172cm-1（D带）处的Raman频率明显较硅纳米管的1230cm-1（G带）低，但在硅纳米管和硅纳米碳管之间，在1350cm-1处峰强度，显示了材料的碳纳米管结构。
图1：硅纳米管和硅纳米碳管的SEM和TEM图像
通过充放电测试分析，硅纳米碳管的嵌入嵌出电容量明显高于硅纳米管，表明硅纳米碳管复合材料的结构可以提高电极材料的嵌入和嵌出效率。同时，在0.1C、0.5C、1C、2C、5C扫描速率下的循环性能均较好，表明硅纳米碳管复合材料具有很好的循环稳定性。
图2：硅纳米管和硅纳米碳管充放电曲线
结论
本文通过纵向合成技术制备了硅纳米管，与碳纳米管复合制备了硅纳米碳管，并对其结构进行了表征。实验结果表明，硅纳米管和硅纳米碳管均具有典型的空心结构，硅和碳元素可以很好地复合。硅纳米碳管材料具有显著的嵌入嵌出电容量和循环稳定性，表明硅纳米碳管复合材料的结构可以提高锂离子电池的嵌入和嵌出效率，提高电池的循环性能。
本文研究了硅纳米碳管复合负极材料的制备和电化学性能，提供了一种新型的锂离子电池负极材料的研究思路。这些研究结果对于开发高性能锂离子电池、提高电池能量密度和实现环保型能源存储具有重要意义。
参考文献
[1]YangF,WangY,DengZ,etal.Carbon-CoatedSiNanorodsasHigh-PerformanceAnodeMaterialsforLi-IonBatteries[J].AcsAppliedMaterials&Interfaces,2016,8(35):22816-22823.
[2]WangL,SunX,YanM,etal.Si–C–NHollowNanosphereAnodeforLithium-IonBatterieswithHighPerformanceatLowTemperature[J].NanoLett