● 摘要
工业上多用碳类材料作为锂离子电池负极活性材料，其比容量较低、易发生有机溶剂共嵌入，人们一直致力于开发新型高容量负极材料。硅材料具有高达4200mAh/g的理论嵌锂容量，但在嵌/脱锂过程中体积变化巨大，易导致电极变疏松而失效。针对该问题，本文提出使用新型泡沫铜集流体来维持电极的稳定性。电极活性材料使用硅和硅碳复合材料，两种材料均采用机械球磨法制备。电极材料填充在泡沫铜内的三维网络中。充放电时，此三维结构通过缓解体积变化产生的内应力，可有效阻止电极的疏松失效，从而提高硅基材料的电化学性能。使用直流电沉积技术在聚氨酯软泡沫上镀铜，得到镀层均匀的泡沫铜。泡沫铜的力学性能受热处理工艺影响很大。还原退火处理可消除内应力，提高塑性。经700℃退火处理的泡沫铜，抗拉强度和延伸率均有很大改善。本文制备的泡沫铜，平均孔径为269μm，孔隙率97%。按重量比62:30:8称取纯硅、碳黑以及聚偏氟乙烯，以泡沫铜为集流体，制备三维电极，对其进行电化学测试。充放电过程中，硅颗粒发生破碎和粉化。起初这种变化可缩短锂离子进入硅晶格的路径，对嵌锂有利，起活化效果。当破碎和粉化加剧时，部分硅失去导电接触，导致容量损失。后期，电极变得很疏松，引起嵌/脱锂容量急剧下降。在电极开始全面失效时，三维结构将电极材料束缚在内，可暂时维持其稳定，延缓电极的失效，在此期间嵌/脱锂容量波动较大。电极的稳定性还与嵌锂深度有关，嵌锂越深体积膨胀越大，电极越不稳定。三维硅/碳复合电极制备方法与三维硅电极相同，活性材料用量77wt.%。此电极嵌/脱锂容量受硅的影响较大。嵌/脱锂容量最初呈上升趋势，经一定次数充放电循环达最大值，此后则缓慢下降。最初容量的上升，主要受硅活化过程的影响。容量衰减过程，硅的嵌/脱锂容量衰减较慢，使电极能够维持较高的嵌/脱锂容量。