多孔锂-硅薄膜锂离子电池负极材料的电沉积制备及其电化学性能

doi:10.3866/PKU.WHXB20110415

物理化学学报 >> 2011, Vol. 27 >> Issue (04): 759-763.doi: 10.3866/PKU.WHXB20110415

多孔锂-硅薄膜锂离子电池负极材料的电沉积制备及其电化学性能

吕荣冠, 杨军, 王久林, 努丽燕娜

上海交通大学化学化工学院, 上海 200240

收稿日期:2010-12-13 修回日期:2011-02-17 发布日期:2011-03-29
通讯作者: 杨军 E-mail:yangj723@sjtu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(20873085)资助项目

Electrodeposition and Electrochemical Property of Porous Li-Si Film Anodes for Lithium-Ion Batteries

Lü Rong-Guan, YANG Jun, WANG Jiu-Lin, NULI Yan-Na

School of Chemistry and Chemical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, P. R. China

Received:2010-12-13 Revised:2011-02-17 Published:2011-03-29
Contact: YANG Jun E-mail:yangj723@sjtu.edu.cn
Supported by:
The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (20873085).

摘要/Abstract

摘要：

采用多步恒电流沉积技术, 在铜箔上电沉积制备了多孔锂-硅薄膜电极(LSF). 用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)测试手段研究了该电极的结构和表面形貌. 作为锂离子电池负极材料, 电化学测试结果表明锂-硅薄膜电极具有较好的循环稳定性, 通过改变电沉积条件, 可有效调控该电极的嵌脱锂容量及首次循环效率. 譬如, 在0.5 mol·L^-1四氯化硅+0.7 mo·L^-1高氯酸锂的碳酸丙烯酯电解液中, 首先以-3.82 mA·cm^-2的恒定电流密度沉积600 s, 再将电流密度恒定为-1.27 mA·cm^-2, 继续电沉积7200 s, 制得锂-硅薄膜电极(LSF^-3), 该电极以12.7 μA·cm^-2的电流密度预循环2次, 其首次循环库仑效率高达97.1%. 预循环2次后, 电流密度增加到25.5 μA·cm^-2, 此时，锂-硅薄膜电极充电质量比容量和面积比容量分别为1410 mAh·g^-1及240.6 μAh·cm^-2; 50次循环后充电比容量为179 μAh·cm^-2 (1049 mAh·g^-1), 容量保持率为74.4%. 锂-硅薄膜电极中的活性锂组分可补偿首次循环时不可逆容量损失, 同时薄膜电极中的多孔结构可缓解电极材料的体积效应并改善其循环性能.

关键词: 多孔锂-硅薄膜, 电沉积, 库仑效率, 负极材料, 锂离子电池

Abstract:

Porous Li-Si thin films (LSFs) were prepared by a multi-step constant current electrodeposition onto Cu foil. The structure and morphology of the electrodeposited films were characterized using X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). As anodes for Li-ion batteries, Li-Si films give high cycling stability, adjustable Li-storage capacity and initial coulombic efficiency under different electrodeposition conditions. For instance, LSF^-3 was electrodeposited in an electrolyte of 0.5 mol·L^-1 SiCl₄+0.7 mol·L^-1 LiClO₄+propylene caronate (PC) under certain conditions (i₁=-3.82 mA·cm^-2, t₁=600 s; i₂=-1.27 mA·cm^-2, t₂=7200 s). LSF^-3 showed the first coulombic efficiency of 97.1% at a current density of 12.7 μA·cm^-2. After the two initial pre-cycles, it delivered gravimetric and geometric charge capacities of 1410 mAh·g^-1 and 240.6 μAh·cm^-2 at 25.5 μA·cm^-2. After 50 cycles, its charge capacity was 179.0 μAh·cm^-2 (1049 mAh·g^-1), retaining 74.4% of its initial capacity. The porous structure in LSFs can accommodate a part of the volume change during Li insertion/extraction and this favors the structural stability.

Key words: Porous Li-Si film, Electrodeposition, Coulombic efficiency, Anode material, Lithium-ion battery

MSC2000:

O646

吕荣冠, 杨军, 王久林, 努丽燕娜. 多孔锂-硅薄膜锂离子电池负极材料的电沉积制备及其电化学性能[J]. 物理化学学报, 2011, 27(04): 759-763.

Lü Rong-Guan, YANG Jun, WANG Jiu-Lin, NULI Yan-Na. Electrodeposition and Electrochemical Property of Porous Li-Si Film Anodes for Lithium-Ion Batteries[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2011, 27(04): 759-763.

参考文献

(1) Winter, M.; Besenhard, J. O.; Spahr, M. E.; Novak, P. Adv. Mater. 1998, 10, 725.
(2) Su, L. W.; Zhou, Z.; Ren, M. M. Chem. Commun. 2010, 46, 2590.
(3) Magasinski, A.; Dixon, P.; Hertzberg, B.; Kvit, A.; Ayala, J.; Yushin, G. Nat. Mater. 2010, 9, 353.
(4) Zhang, S. C.; Du, Z. J.; Lin, R. X.; Jiang, T.; Liu, G. R.; Wu, X. M.; Weng, D. S. Adv. Mater. 2010, 22, 5378.
(5) Yu, Y.; Gu, L.; Zhu, C. B.; Tsukimoto, S.; van Aken, P. A.; Maier, J. Adv. Mater. 2010, 22, 2247.
(6) Cho, J. J. Mater. Chem. 2010, 20, 4009.
(7) Song, Y. J.; Zhang, H. F.; Fu, P. P.; Yang, H. B.; Zhou, Z. X.; Wu, M. T.; Huang, L. H. Chem. J. Chin. Univ. 2008, 29, 573.
[宋英杰, 张宏芳, 伏萍萍, 杨化滨, 周作祥, 吴孟涛, 黄来和. 高等学校化学学报, 2008, 29, 573.]
(8) Takamura, T.; Ohara, S.; Uehara, M.; Suzuki, J.; Sekine, K. J. Power Sources 2004, 129, 96.
(9) Shima, M.; Yagi, H.; Tarui, H.; Ikeda, H.; Fujimoto, M.; Fujitani, S.; Domoto, Y. Method for Preparing Electrode Material for Lithium Battery. US Patent 6887511 B1, 2005-05-03.
(10) Ahn, H. J.; Kim, Y. S.; Park, K. W.; Seong, T. Y. Chem. Commun. 2005, No.1, 43.
(11) Yin, J. T.; Wada, M.; Yamamoto, K.; Kitano, Y.; Tanase, S.; Sakai, T. J. Electrochem. Soc. 2006, 153, A472.
(12) Fleischauer, M. D.; Obrovac, M. N.; Dahn, J. R. J. Electrochem. Soc. 2008, 155, A851.
(13) Song, S. W.; Striebel, K. A.; Reade, R. P.; Roberts, G. A.; Cairns, E. J. J. Electrochem. Soc. 2003, 150, A121.
(14) Yang, J. Y.; Lu, S. G.; Kan, S. R.; Zhang, X. J.; Du, J. Chem. Commun. 2009, No. 22, 3273.
(15) Yang, J. Y.; Lu, S. G.; Ding, H. Y.; Zhang, X. J.; Kan, S. R. Chin. J. Inorg. Chem. 2010, 26, 1837.
[杨娟玉, 卢世刚, 丁海洋, 张向军, 阚素荣. 无机化学学报, 2010, 26, 1837.]
(16) Juzeliunas, E.; Cox, A.; Fray, D. J. Electrochem. Commun. 2010, 12, 1270.
(17) Nishimura, Y.; Fukunaka, Y. Electrochim. Acta 2007, 53, 111.
(18) Nicholson, J. P. J. Electrochem. Soc. 2005, 152, C795.
(19) Munisamy, T.; Bard, A. J. Electrochim. Acta 2010, 55, 3797.
(20) Chen, X. L.; Gerasopoulos, K.; Guo, J. C.; Brown, A.; Wang, C. S.; Ghodssi, R.; Culver, J. N. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 380.
(21) Schmuck, M.; Balducci, A.; Rupp, B.; Kern, W.; Passerini, S.; Winter, M. J. Solid State Electrochem. 2010, 14, 2203.
(22) El-Abedin, S. Z.; Borissenko, N.; Endres, F. Electrochem. Commun. 2004, 6, 510.
(23) Al-Salman, R.; Mallet, J.; Molinari, M.; Fricoteaux, P.; Martineau, F.; Troyon, M.; El-Abedin, S. Z.; Endres, F. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 6233.
(24) Mallet, J.; Molinari, M.; Martineau, F.; Delavoie, F.; Fricoteaux, P.; Troyon, M. Nano Lett. 2008, 8, 3468.
(25) Ota, M.; Izuo, S.; Nishikawa, K.; Fukunaka, Y.; Kusaka, E.; Ishii, R.; Selman, J. R. J. Electroanal. Chem. 2003, 559, 175.
(26) Boen, R.; Bouteillon, J. J. Appl. Electrochem. 1983, 13, 277.
(27) Seong, I. W.; Yoon, W. Y. J. Power Sources 2010, 195, 6143.

[1]	苏岳锋, 张其雨, 陈来, 包丽颖, 卢赟, 陈实, 吴锋. ZrO₂包覆高镍LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂正极材料提高其循环稳定性的作用机理[J]. 物理化学学报, 2021, 37(3): 2005062 -0 .
[2]	潘弘毅, 李泉, 禹习谦, 李泓. 多空间尺度下的金属锂负极表征技术[J]. 物理化学学报, 2021, 37(1): 2008091 -0 .
[3]	黄凡洋, 揭育林, 李新鹏, 陈亚威, 曹瑞国, 章根强, 焦淑红. 锂金属负极的可逆性与沉积形貌的关联[J]. 物理化学学报, 2021, 37(1): 2008081 -0 .
[4]	安惠芳, 姜莉, 李峰, 吴平, 朱晓舒, 魏少华, 周益明. 基于水凝胶衍生的硅/碳纳米管/石墨烯纳米复合材料及储锂性能[J]. 物理化学学报, 2020, 36(7): 1905034 -0 .
[5]	李海霞,王纪伟,焦丽芳,陶占良,梁静. 碳包覆纳米SnSb合金作为高性能钠离子电池负极材料[J]. 物理化学学报, 2020, 36(5): 1904017 -0 .
[6]	丁飞翔,高飞,容晓晖,杨凯,陆雅翔,胡勇胜. 高性能混合相钠离子层状负极材料Na_0.65Li_0.13Mg_0.13Ti_0.74O₂[J]. 物理化学学报, 2020, 36(5): 1904022 -0 .
[7]	卢晓霞,董升阳,陈志杰,吴朗源,张校刚. 碳包覆Ti₂Nb₂O₉纳米片的制备及其储钠性能[J]. 物理化学学报, 2020, 36(5): 1906024 -0 .
[8]	曹斌,李喜飞. 钠离子电池炭基负极材料研究进展[J]. 物理化学学报, 2020, 36(5): 1905003 -0 .
[9]	周鹏,盛进之,高崇伟,董君,安琴友,麦立强. 原位相分离合成V₂O₅/Fe₂V₄O₁₃纳米复合材料及其储钠性能[J]. 物理化学学报, 2020, 36(5): 1906046 -0 .
[10]	李超, 沈明, 胡炳文. 面向金属离子电池研究的固体核磁共振和电子顺磁共振方法[J]. 物理化学学报, 2020, 36(4): 1902019 -0 .
[11]	史永超, 唐明学. 可充电池的磁共振研究[J]. 物理化学学报, 2020, 36(4): 1905004 -0 .
[12]	刘昆, 刘瑶, 朱海峰, 董晓丽, 王永刚, 王丛笑, 夏永姚. NaTiSi₂O₆/C复合材料用于锂离子电池负极材料[J]. 物理化学学报, 2020, 36(11): 1912030 -0 .
[13]	胡江涛, 郑家新, 潘锋. 锂电池磷酸铁锂正极材料的结构与性能相关性的研究进展[J]. 物理化学学报, 2019, 35(4): 361 -370 .
[14]	赵明宇,朱琳,付博文,江素华,周永宁,宋云. NiCo₂S₄六角片作为钠离子电池负极材料的电化学性能及储钠动力学[J]. 物理化学学报, 2019, 35(2): 193 -199 .
[15]	Rahim Shah,Naveed Alam,Amir A.Razzaq,杨成,陈宇杰,胡加鹏,赵晓辉,彭扬,邓昭. 粘结剂对形貌各异的石墨负极电化学性能的影响[J]. 物理化学学报, 2019, 35(12): 1382 -1390 .

多孔锂-硅薄膜锂离子电池负极材料的电沉积制备及其电化学性能

Electrodeposition and Electrochemical Property of Porous Li-Si Film Anodes for Lithium-Ion Batteries

PDF

赞

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

Metrics

本文评价

推荐阅读 0