2.1.1 物相分析
图2(a)为纳米Si、Si/C、Si/rGO/C复合材料的XRD谱图,可以看出,Si/C和Si/rGO/C复合材料与纳米Si一致,在28.4°,47.4°,56.2°,69.2°和76.5°出现衍射峰,分别对应于晶体Si的(111),(220),(311),(400)和(331)晶面,且没有出现新的衍射峰[18].采用ICP-AES法测得Si/C和Si/rGO/C复合材料中Na的质量分数分别为0.015%和0.021%,Ca的质量分数分别为0.31%和0.20%,均低于0.5%,说明在复合材料的制备过程中杂质基本清除.为了说明复合材料中碳组分的存在,对以上3种材料进行Raman光谱测试,结果如图2(b)所示:与纳米Si相比,Si/C和Si/rGO/C复合材料除在517 cm-1出现了Si的特征峰外,在1 340和1 580 cm-1附近出现了新的分别代表无序化碳结构和有序石墨化结构的D峰和G峰,且Si/rGO/C复合材料的D峰和G峰的峰强度明显大于Si/C复合材料,这与rGO的存在有关[9].因此,可以确认在经过高温碳化后,干燥的海藻酸凝胶转化为碳层.由图3的TGA结果可知,Si/C和Si/rGO/C复合材料中Si的质量分数分别为72.4%和57.5%; 再根据所采用电池极片复合材料的负载量,经计算可得其Si组分的电极载量分别约为0.423和0.366 mg/cm2.
2.1.2 形貌分析
图4为纳米Si、Si/C和Si/rGO/C复合材料的形貌图.从图4(a)~(f)可以看出:纳米Si颗粒的粒径约为100 nm,有团聚现象; Si/C复合材料表面与纳米Si相比更加粗糙,并出现堆积现象,结合上述Raman光谱结果分析,这是由海藻酸凝胶高温碳化后纳米Si颗粒嵌入到碳层中导致的; Si/rGO/C复合材料的形貌特征发生显著变化,呈现出三维结构且表面基本没有裸露的纳米Si颗粒.从图4(g)和(h)可以看出,rGO分散在材料内部,形成了导电网络,纳米Si颗粒分布在rGO片层间,绝大部分被碳层和rGO片层包裹,且不同纳米Si颗粒之间还有一些空隙,这都有利于缓冲纳米Si在充放电循环中的体积变化.材料的比表面积测试结果表明:纳米Si、Si/C和Si/rGO/C复合材料的比表面积分别为38.3,149.0和134.5 m2/g.纳米Si颗粒的粒径虽然最小,但是比表面积也最小,这与SEM图是一致的,说明纳米Si存在严重的自团聚.包覆碳后,Si/C和Si/rGO/C复合材料的比表面积均得到大幅提高,说明在制备过程中纳米Si颗粒得到了良好的分散,碳层和rGO的加入抑制了纳米Si在制备复合材料过程中的自团聚; 且较大的比表面积有利于复合材料与电解液的充分接触,促进活性物质的最大化利用.
图3 纳米Si、Si/C和Si/rGO/C复合材料的TGA曲线
Fig.3 TGA curves of nano-Si,Si/C and Si/rGO/C composites
图4 纳米Si(a,b)、Si/C(c,d)、Si/rGO/C(e,f)复合材料的SEM图以及Si/rGO/C的TEM图(g,h)
Fig.4 SEM images of nano-Si(a,b),Si/C(c,d),Si/rGO/C(e,f)composites and TEM images of Si/rGO/C(g,h)
2.2 材料的电化学性能
图5(a)为纳米Si、Si/C和Si/rGO/C复合材料在0.2 A/g电流密度下的首次充放电曲线,可以看出:3种材料首次放电比容量分别为4 035.8,2 722.2和2 208.5 mAh/g,计算得到对应的首次库伦效率分别为77.6%,73.7% 和 70.1%; 且在0.1 V左右均出现了明显的放电平台,这对应于典型的晶体Si嵌锂转化为无定形态LixSi的过程[9]; 此外,Si/C和Si/rGO/C复合材料的充放电平台均与纳米Si相同,并没有其他明显的平台出现.值得注意的是,随着碳以及rGO的加入,Si/C和Si/rGO/C复合材料的首次库伦效率依次小幅降低,主要原因是:1)碳在首圈充放电时有较大的不可逆容量,经测试,碳层的首次库伦效率只有27.2%; 2)rGO首圈充放电时存在较大的不可逆容量[19].
图5(b)和(c)为纳米Si、Si/C和Si/rGO/C复合材料分别在0.2和1.0 A/g电流密度下的循环性能图.如图5(b)所示:在0.2 A/g电流密度下,纳米Si虽然具有最大的首圈放电比容量,但是循环时比容量从约4 000.0 mAh/g快速衰减至100.0 mAh/g以下,这主要是由纳米Si的自团聚以及充放电过程中巨大的体积效应和较差的导电性导致的; 而Si/C和Si/rGO/C复合材料的循环性能则有较大提高,其中Si/rGO/C复合材料具有最优的循环性能,充放电100圈其比容量依然能够保持1 160.2 mAh/g,其库伦效率经过5圈
图5 纳米Si、Si/C和Si/rGO/C复合材料的电化学性能
Fig.5 The electrochemical properties of nano-Si,Si/C and Si/rGO/C composites
循环后即稳定在98%以上.如
图5(c)所示,在1.0 A/g电流密度下,3种材料循环性能的变化趋势与0.2 A/g时相同,Si/rGO/C复合材料依然具有最优的循环性能,经过100圈循环后其比容量基本保持在1 000.0 mAh/g左右,容量保持率为77.6%.
材料的倍率性能测试结果如图5(d)所示:纳米Si在电流密度大于1.0 A/g时,其比容量几乎为零; Si/rGO/C复合材料表现出最优的倍率性能,在6.0 A/g电流密度下其比容量保持在640.0 mAh/g左右,且电流密度重新回到0.2 A/g时其放电比容量能够迅速恢复至1 388.0 mAh/g左右并保持稳定,表现出优异的大电流放电性能和循环可逆性能.
为了进一步说明复合材料中rGO的作用以及电极中所含乙炔黑(导电剂)对材料电化学性能的影响,制备了与Si/rGO/C复合材料碳含量相近的Si/C-1复合材料(m(SA):m(Si)=3:1,Si组分的质量分数约为63.8%)以及乙炔黑质量分数分别为20%和10%的Si/rGO/C电极,其循环性能如图5(e)所示:在1.0 A/g电流密度下,Si/C-1复合材料充放电100圈后放电比容量为602.8 mAh/g,容量保持率仅为56.0%,与Si/C复合材料相近; Si/rGO/C复合材料具有最优的循环性能,可见rGO的加入进一步改善了复合材料的电化学性能; Si/rGO/C-20%电极与Si/rGO/C电极的放电比容量及容量保持率均相似; Si/rGO/C-10%电极100次循环后放电比容量为820.4 mAh/g,容量保持率为76.5%,与Si/rGO/C电极相比,其放电比容量有所下降,而容量保持率类似.这说明适当比例的导电剂有利于活性物质发挥出最佳的电化学性能.表1为不同方法制备的Si/rGO/C复合材料的循环性能对比,与其他方法相比,本文中采用海藻酸水凝胶法制备的Si/rGO/C复合材料具有较好的循环性能和容量保持率.
为了进一步研究Si/rGO/C复合材料的充放电过程,对该材料进行了CV测试,结果如图6(a)所示:首圈放电时,在1.1 V附近出现一个小的阴极峰,且在后续的电池循环中消失,表明在该电位下电极表面生成了固体电解质界面膜(SEI)[7,9].同时,由于形成SEI是不可逆的过程,所以该阴极峰也说明电极在首次充放电时具有一定的不可逆容量从而导致首圈库伦效率较低.随后在0.1 V左右均出现了明显的阴极峰,并且在后续循环中仍然存在,代表放电过程中LixSi的生成[7].另外,随着循环次数的增加,首圈出现在0.1 V附近的阴极峰逐渐转移至0.2 V,这表明复合材料中晶体Si逐渐向无定型Si转化[20].充电过程中,在0.35和0.53 V分别出现了阳极峰,对应LixSi的去锂化过程.随着循环次数的增加,峰电流强度逐渐加强,说明伴随着电池的充放电循环,电化学活性物质不断被活化[7,21-22].
表1 不同方法制备Si/rGO/C复合材料的循环性能对比
Tab.1 Comparison of the cycling performance of the Si/rGO/C composites prepared by different methods
图6 Si/rGO/C电极前5圈充放电CV曲线(a)以及纳米Si、Si/C、Si/rGO/C电极的EIS测试(b)
Fig.6 CV curves of Si/rGO/C electrode in the initial five cycles(a),and EIS tests of nano-Si,Si/C and Si/rGO/C electrodes(b)
为了说明rGO和碳的加入对材料电导率的影响,对材料进行了交流阻抗(EIS)测试,结果如图6(b)所示:3个样品的EIS曲线均由一个半圆(高频区)和一条斜线(低频区)组成.其中,半圆的直径代表电极与电解质之间的电荷传输阻抗(Rct)[9,13].纳米Si电极的Rct 最大,这与纳米Si导电性差有关;
图7 纳米Si、Si/C和Si/rGO/C电极极片100次循环前后的SEM图
Fig.7 Surface SEM images of the nano-Si,Si/C and Si/rGO/C electrodes before and after 100 cycles
与纳米Si电极相比,Si/C电极的Rct 大幅下降,表明碳的加入有利于提高材料的电子传输; Si/rGO/C电极的Rct 最小,说明rGO和碳相互作用,共同提高了材料导电性,实现了复合材料设计之初所要达到的目的.材料导电性的提高对于材料电化学性能是至关重要的,这与材料的循环性能和倍率性能的改善相对应.
图7为纳米Si、Si/C和Si/rGO/C电极极片在充放电循环前后的SEM图.从图中,特别是黑色框中的局部区域可见:纳米Si电极充放电循环前后出现明显的不同,100次循环后电极出现较大裂痕,进而导致活性物质之间导电脱离; Si/C电极出现严重的碎片化,分解成很多小碎片,相当一部分的活性物质之间脱离接触; 与纳米Si电极和Si/C电极相比,Si/rGO/C电极100次循环后大部分活性物质依然紧密接触,碎片化得到了一定的缓解,表现出较好的结构稳定性.