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【硅碳材料】通过等离子辅助球磨技术制备高性能硅碳材料
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今天分享硅碳材料制备，发不了图片，需要英文原文的私信我230320，并留下你的邮箱，我看到后会发给大家 一段话了解全文 通过等离子体球磨技术（P-milling）制备纳米硅颗粒均匀嵌入石墨烯纳米片（GNs）中的复合材料，大大提高硅（Si）的锂存储性能。等离子体的快速加热和震动球磨的协同作用将石墨粉转化为GN，同时将纳米Si颗粒整合到原位形成的GN中。 等离子球磨工艺 图1 通过P-milling合成纳米Si/GNs复合材料的示意图 混合质量比为3:7的纳米硅与石墨粉，并将其放入带有不锈钢球的不锈钢小瓶中。球料比为50：1。通过P-milling将粉末混合物处理5、10和20小时，样品标记为P-5h，P-10h和P-20h。空气中手动研磨将纳米硅粉与石墨混合，以获得称为P-0h的纳米硅/石墨混合物样品。 粉体形貌表征 图2 纳米Si/石墨复合材料经过P-milling不同时间后的XRD谱图(a)和拉曼光谱(b) 在研磨前粉体具有完美的结晶特性。随着P-milling时间的增加，石墨（002）的主衍射峰变宽和变弱，石墨颗粒尺寸沿c方向减小。根据石墨（002）平面的晶格间距，P-milling复合材料中GN的平均堆积层数分别计算为P-10h和P-20h为59和21。因此，可以通过P-研磨获得包含纳米Si的石墨烯纳米片。 图3 （a）P-0h，（b）P-5h，（c）P-10h，（d）和（e）P-20h样品的SEM显微照片 P-0h的纳米Si颗粒为球形，尺寸范围为50~100nm，而石墨则具有典型的体层结构。纳米硅粒子附聚并随机分散在石墨表面上。随着P-milling的进行，石墨切成小薄片。P-20h样品，石墨层变薄并变成厚度小于10nm的GNs。放大SEM显微照片显示，GN之间的间隙充满了纳米Si颗粒，并且GN与纳米Si颗粒之间存在大量纳米尺寸的自由空间。纳米尺寸的自由空间可以适应锂合金化和脱合金过程中内部活性纳米硅粒子的体积变化。利用GNs覆盖和封装的纳米Si粒子的这种独特结构，可以实现LieSi反应的导电网络和缓冲基质。 图4 （a）P-20h纳米Si/GNs复合样品的TEM照片 （b）在（a）中用虚线圆划出的区域的大倍率TEM照片 （c，d）P-20h样品的高分辨率TEM照片 （d）中的插图显示了纳米Si颗粒的切割效果的示意图。 纳米硅颗粒均匀地被封闭在GN中。箭头A（图4c）显示GN厚度为7~8nm，约20层单原子石墨烯片的堆叠。如箭头B所示，还存在厚度仅为2~3nm的更薄的GN。纳米Si颗粒切割效果的示意图（图4d，插图）显示石墨烯层是通过刚性纳米硅颗粒从微米级石墨表面剥离的。 电性能测试 图5 (a)循环性能 (b)交流阻抗 (c)电流-电压曲线 P-20h样品在第一个循环中的容量为1184mAh·g-1，在50个循环后的可逆容量为715mAh·g-1。P-milling处理20小时可以增强LIB中Si/石墨复合阳极的电化学性能。这一行为归因于：足够的P-milling时间产生丰富的GN；纳米Si粒子可以更均匀地分散和嵌入GN中，同时保留纳米材料自由空间，减轻锂化/脱锂过程中体积变化，提高其电导率并防止团聚。根据交流阻抗图可知纳米Si阳极具有大的电荷转移阻力，使用高导电性GNs涂层，P-20h纳米Si/GNs复合阳极的电荷转移电阻会降低。 图6 10个循环之前和之后的P-0h和P-20h电极的典型横截面图像 P-0h电极在循环前的厚度约为9mm，在循环后增加至约19mm，电极上还会出现一些裂纹。P-20h电极循环后厚度增加了2mm，在10个循环后没有出现明显的裂纹。具有独特结构的纳米Si的P-20h复合材料分散并嵌入GN中，使硅的体积膨胀得以缓冲，并在循环过程中保持整个电极的完整性。 结论 通过放电等离子体辅助研磨制备了纳米Si/GNs复合阳极材料。石墨烯纳米片很容易通过球型Si纳米颗粒，研磨球和放电等离子体的热爆炸而从石墨上剥离。经过20h的等离子球磨处理，纳米Si/GNs复合材料具有均匀嵌入石墨烯纳米片之间的纳米硅颗粒的独特结构，以及大量的纳米级自由空间。这增强了锂离子电池阳极电导率和循环性能。该工艺路线简单，成本低廉且无污染，可用于大规模生产Si/石墨烯基复合阳极。 以上结论来自于 Wei S, Hu R, Hui L, et al. Embedding nano-silicon in graphene nanosheets by plasma assisted milling for high capacity anode materials in lithium ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2014, 268(dec.5):610-618. |
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