?。ㄖ袊?guó)粉體技術(shù)網(wǎng)/朱紅龍）鋰電池負(fù)極材料性能的好壞制約著鋰電池的性能，而硅的理論容量和安全性都高于石墨，被認(rèn)為是最有前景的鋰電池負(fù)極材料。硅藻土的主要成分為SiO2，且具有良好的孔徑結(jié)構(gòu)，那么以硅藻土作為硅基負(fù)極材料，則具有天然的優(yōu)勢(shì)。
圖1 鋰電池的組成
1、硅藻土的多孔結(jié)構(gòu)
硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，主要由古代硅藻遺骸組成，其化學(xué)成分主要是SiO2。硅藻土具有獨(dú)特多級(jí)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，孔徑以大孔為主，含有少量介孔，孔徑分布范圍較廣，孔結(jié)構(gòu)優(yōu)良，故硅藻土是鋰電池優(yōu)良的負(fù)極材料。
圖2 硅藻土的多孔結(jié)構(gòu)
2、硅藻土制備多孔單質(zhì)硅
以吉林某地硅藻土為原料，經(jīng)粉碎、高溫煅燒（550℃）和油?。?8℃）等除雜后，得到純白色硅藻土（二氧化硅）。
將硅藻土（二氧化硅）與金屬鎂粉混合均勻，經(jīng)高溫煅燒（650℃）、鹽酸酸洗和干燥后得到多孔結(jié)構(gòu)的單質(zhì)硅，呈灰黑色。
3、硅藻土單質(zhì)硅XRD分析
圖3 不同階段硅藻土的XRD圖譜
硅藻土提純各步驟的XRD見(jiàn)上圖3所示，其中圖3 a為550℃高溫鍛燒后的硅藻土，與原土相比將有機(jī)雜質(zhì)燒掉；圖3 b為98℃油浴酸洗后的硅藻土，可發(fā)現(xiàn)硅藻土中的無(wú)定形SiO2己明顯顯現(xiàn)出來(lái)，此時(shí)將Al、Fe等礦物雜質(zhì)形成可溶性鹽類(lèi)去除，得到了高純度二氧化硅；圖3 c為提純后的硅藻土與金屬鎂按一定質(zhì)量比混合，混合后金屬鎂的衍射峰極為明顯；圖3 d為鎂熱還原反應(yīng)處理后下方所得單質(zhì)硅的衍射峰，明顯可以看出此時(shí)SiO2和金屬鎂的反應(yīng)極其充分，得到了氧化鎂和硅的混合物，然后再經(jīng)酸洗、離心等處理后得到高純度硅。
4、硅藻土多孔硅與商業(yè)硅的循環(huán)性能對(duì)比
硅藻土含有圓盤(pán)藻和棒狀藻，具有特殊的介孔通道結(jié)構(gòu)。由硅藻土提純制備的單質(zhì)硅比商業(yè)硅具有著天然的優(yōu)勢(shì)，本身所具有的多孔結(jié)構(gòu)使得最后得到的單質(zhì)硅保持這種結(jié)構(gòu)，為鋰離子的嵌入和脫出提供更為通暢的途徑，而且單質(zhì)硅的顆粒尺寸也明顯小于商業(yè)硅，這些都可以緩解在反應(yīng)過(guò)程中帶來(lái)的體積膨脹，有利于提高鋰離子電池的電化學(xué)性能。
圖4 硅藻土多孔硅與商業(yè)硅的容量和循環(huán)次數(shù)
圖4中給出了硅藻土多孔硅與商業(yè)硅的循環(huán)性能對(duì)比，雖然多孔硅的首次充放電容量比商業(yè)硅低，但其優(yōu)勢(shì)在于容量衰減沒(méi)有商業(yè)硅嚴(yán)重，在多次循環(huán)后的容量反而高于商業(yè)硅，即多孔硅的循環(huán)穩(wěn)定性比商業(yè)硅好?？梢缘贸鲞@樣的結(jié)論：由硅藻土制得的具有多孔結(jié)構(gòu)的單質(zhì)硅能夠在一定程度上緩解硅的體積膨脹，從而使鋰離子電池的電化學(xué)性能得到一定程度的提高。
經(jīng)提純、改性的硅藻土多孔硅比石墨負(fù)極材料在比表面積、電容量、充放電循環(huán)性能上具有一定的優(yōu)勢(shì)，將硅藻土特殊的介孔通道結(jié)構(gòu)應(yīng)用于鋰離子電池的負(fù)極材料，使其電化學(xué)性能具有一定的改善，滿足了鋰離子混合超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)在混合超級(jí)電容器方面的應(yīng)用提供了新的思路。
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關(guān)注中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng)官方微信（粉體技術(shù)網(wǎng)）
|
