鋰離子電池硅基負極循環性能介紹

2.2 制備薄膜硅負極

薄膜硅負極由復旦大學激光化學研究所提供。以銅箔為基底(表面預先用0.12 mol L-1的FeCl3溶液進行腐蝕處理)，以硅片為靶，在真空環境中通過等離子體濺射制得無定形硅薄膜。

2.3 配制電解液

常規電解液購自張家港國泰華榮有限公司，為1 mol?L-1 六氟磷酸鋰的碳酸乙烯酯與碳酸二甲酯(體積比1:1)混合溶液。分別加入4種添加劑，其名稱及用量見表1。

表1 所用添加劑的全稱、分子式及添加量

2.4電池組裝與測試

將具有柔性集流體的硅負極用直徑12mm的沖頭沖成極片，放入真空烘箱中在40℃下干燥8小時，然后轉移到充滿氬氣的手套箱中。以金屬鋰片為對電極，ET20-26為隔膜，采用常規電解液組裝成CR2016扣式電池，20℃下在LAND電池測試系統(武漢藍電電子有限公司提供)上進行恒流充放電性能測試，充放電截止電壓相對于Li/Li+為0.01~1.5V，充放電電流密度為0.2 mA cm-2。

對于薄膜硅負極，采用含添加劑的電解液組裝半電池，充放電電流密度為0.0381 mA cm-2，電壓范圍為0~1.5 V。其它同上。本研究中放電對應材料的嵌鋰過程，充電對應脫鋰過程。

2.5 電極表面形貌觀察

采用場發射掃描電子顯微鏡(JSM-7401F)觀察20次循環后的硅薄膜電極表面形貌。在手套箱中將處于全部脫鋰狀態下的電極從電池中取出，用DMC反復清洗后自然晾干，放置在充滿氬氣的密封玻璃瓶中，然后從手套箱中取出，迅速轉移至掃描電鏡的樣品室。

3.結果與討論

3.1 具有柔性集流體的硅基負極

采用乙炔黑涂層為柔性集流體的硅基負極前20次循環的充放電容量如圖2所示。其首次充放電庫侖效率為85%，20次循環后的可逆容量約為1100 mAh g-1。而采用常規銅箔為集流體的硅基負極，首次充放電庫侖效率為81%，12次循環后可逆容量即衰減到200 mAh g-1以下。

循環性能的提高得益于這種硅基負極的夾心結構。活性物質碳包覆硅層緊密地夾在彈性的隔膜與柔性集流體層之間，柔性集流體層會隨著碳包覆硅層的形變而相應變化，降低了二者之間的機械應力，從而改善了界面電接觸狀態，顯著提高了硅基負極的循環穩定性。

圖2 采用柔性集流體和常規集流體的硅基負極的循環性能

3.2 電解液成膜添加劑

含不同添加劑電池的首次充放電曲線如圖3所示，其儲鋰容量、首次充放電效率等數據詳見表2。各樣品均在0.5V左右出現一個明顯的平臺，對應著硅薄膜表面SEI膜的形成。0.5V以下主要進行無定形硅的嵌鋰過程。不含添加劑的電池首次充放電效率為60.6%，添加VC和ET后首次效率提高至66.6%和61.2%;而添加SO2Cl2和LiBOB后，首次效率分別降至51.7%和49.2%。可見加入不同添加劑后形成SEI膜時消耗的不可逆容量不同。

圖3 含不同添加劑硅薄膜電池的首次充放電曲線

表2 含不同添加劑硅薄膜電池的電化學性能比較

各樣品的脫鋰容量-循環次數曲線如圖4所示。在常規電解液中加入VC，SO2Cl2和LiBOB后，100次循環后硅薄膜電池的脫鋰容量保持率從37.4%分別提高至83.3%, 51.2%和44.4%，但加入LiBOB和SO2Cl2會使電池容量降低。加入ET并沒有起到改善循環性能的作用。

圖4 含不同添加劑硅薄膜電池的循環性能