第 卷 第 期 年 月 用于锂离子电池负极的多孔硅材料制备 厦门大学物理与机电工程学院 厦门大学化学化工学院福建厦门 摘要 多孔硅具有大量孔洞能有效缓解体积膨胀带来的压力有望成为锂离子硅基负极材料的一个研究方向采用光 助电化学腐蚀二次化学腐蚀制备高孔隙率 多孔层厚度平均孔深约为 型多孔硅材料通过优化后的光助电化学腐蚀样品的孔径约为 孔隙率约 二次腐蚀后样品孔径增加到 多孔层厚度减小 到 孔隙率增加到 表明二次腐蚀增加了样品的孔径和孔隙率以二次腐蚀的多孔硅材料为负极的锂离子半 次后充放电比容量保持在 效率保持 以上实 电池在 的恒流充放电循环测试下循环 和 验结果表明多孔硅锂电极比单晶硅锂电极具有更长的循环寿命可有效提高锂电池的性能 关键词阳极氧化二次腐蚀多孔硅锂离子电池负极材料 中图分类号 文献标志码 文章编号 提高锂电池性能的研究主要集中在负极材料 的理论比容量值最高可达 是石墨的 倍多可作为代替石墨的锂电池负极材料但硅材料在 锂电池充放电循环过程中会产生剧烈的体积膨胀 硅 替代硅纳米线作为锂电池的负极材料 与硅纳米 线相比多孔硅不但制备方法简单成本低廉而且孔 壁上还存在着大量的小孔可避免孔壁断裂有利于提 高电池的循环寿命多孔硅负极材料的电化学性能随 孔隙率和孔径的增加而提高随着孔隙率和比表面积 的增大硅原子能与更多的锂离子合金化提高比容 约 这将导致硅电极在电化学锂化脱锂过程中急 速粉末化或者出现裂痕使寿命急速衰减阻碍了其在 实际中的应用 量 另一方面孔径的增大能更大程度缓冲锂化过程 为了抑制硅电极体积膨胀相关研究团队提出 中的体积膨胀提高循环寿命所以增加多孔硅材料 的孔洞直径和孔隙率是提高多孔硅负极材料性能最 有效的办法 种改进方法 硅基薄膜 制备硅基复合材料 制备非晶态的 为主的硅复 制备硅纳米材料 以 合材料虽然能提高硅负极材料的稳定性但其比容量偏 而非晶硅基纳米薄膜电极材料的制备过程需要严格 控制薄膜厚度制备工艺复杂 且与集流体接触不 硅纳米材料因其可控性强和比容量高成为理想的硅 本文利用两步化学腐蚀方法 首先采用光助化学腐蚀方法 制备多孔硅结 低 构 在单晶硅片上制备 多孔硅接着利用二次化学腐蚀增大多孔硅的孔径 采 好 用这种方法制备了高孔隙率的多孔硅电极材料并利 负极材料 硅纳米线作为常见的纳米硅负极材料 其 用扫描电子显微镜 表征其物理形貌电池测试 首次充放电比容量能达到 但硅纳米 仪表征该材料的电化学性能 线在经过数次循环后断裂使得电极的容量迅速降低 同时 硅纳米线的制备过程相对复杂且成本较 实验部分 高 不利于商业化大规模生产因此研究者们提 出了利用腐蚀的方法制备出结构类似的多孔硅材料来 多孔硅的制备分为两步 光助电化学腐蚀在 衬底背面蒸 白炽灯照射 型 电导率 镀 铝膜在恒温 的条件下 恒 电流 别为 以 收稿日期 混合溶液为电解液进行电化学腐蚀腐蚀时间分 化学腐蚀 混合溶液为腐蚀液腐蚀时间分别为 基金项 目 国家自然科学基金重点项目 以 福建省自然科学基金项目 通信作者 第 期 刘晶晶等用于锂离子电池负极的多孔硅材料制备 用于表征该材 得到排列更加整齐的孔洞 扩大孔洞直径增加孔 隙率二次化学腐蚀包括横向腐蚀和纵向腐蚀横向腐 蚀指溶液腐蚀孔壁扩大孔洞直径纵向腐蚀指溶液渗 入孔洞进一步腐蚀硅衬底增加孔洞深度与多孔层厚 度反应方程式如下 料的物理形貌 锂电池的组装在充满氩气的手套箱内在锂电池 的外壳内依次放入烘干后的多孔硅电极材料浸满了 电解液 盖上锂电池外盒手套箱维持 氮气氛组装好的锂电池加压密封后 行恒流充放电循环测试 测试系统采用 电池测试仪 在 由于二次腐蚀时间对多孔硅的孔径和多孔层厚度 影响很大为了理想的孔径大小和多孔层厚