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第二十九期上海交通大学大学生创新实践计划
低成本高能硅氧/碳负极材料可控制备与性能研究
创新训练项目
工学
材料类
创新类
材料科学与工程学院
宋雪峰
指导教师
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宋雪峰老师先后主持国家自然科学基金，上海市自然科学基金，上海市纳米专项，上海航天科技创新基金，军委科技委项目，教育部留学回国人员启动基金，德国联邦教育研究部基金等近二十项科研项目。
1.实验室拥有完善的样品制备及性能测试装置；
2.提供实验室合成制备及表征测试的一对一指导；
3.定期召开小组会议，对得到的数据结果及时分析并与导师充分讨论。
鉴于我国的能源需求和环境问题，高性能锂离子电池电极材料的研究对我国的可持续发展也具有非常关键的战略意义。目前商业化的锂离子电池主要采用石墨类碳负极材料。然而，石墨的理论比容量仅为372 mAhg-1，而且嵌锂电位平台接近金属锂，快速充电易发生“析锂”现象引发安全隐患。因此，高能动力型锂离子电池的发展迫切需要寻求高容量、长寿命、快速充放电的新型负极来替代石墨类碳负极。Si及其氧化物材料由于理论储锂容量高，地表中的含量高及优异的安全性能等优势被认为是最有潜力的高效锂电池用负极材料之一。
然而由于其在电化学储锂过程中的巨大体积变化效应、较低的电导率以及表面固体电解质（SEI）膜不稳定等问题，硅基负极材料仍然需要大量的努力来作进一步的改进工作，特别是快速充放电能力的提高。快速充放电时，Si基材料迅速的大体积膨胀和收缩，不但会导致SEI膜的不稳定，促使SEI膜连续生长，而且也会导致电极材料与集流体的脱开，从而导致电池容量的迅速衰竭。与Si负极材料相比，基于SiOx的负极材料倾向于获得更好的循环性能，这是因为在第一个锂化过程中原位生成的Li2O和硅酸锂可减轻巨大的体积变化。此外，与硅材料相比，SiOx材料的制备成本低、易于合成，促进了二氧化硅基负极材料在锂离子电池中的工业化应用。但是，由于SiOx在嵌锂过程中不可忽略的体积膨胀、固有的低电导率以及第一个循环中Li2O和硅酸锂的不可逆形成，导致了SiOx负极材料仍面临循环寿命短、性能差和初始库仑效率低等严峻问题。因此解决上述SiOx负极材料存在的问题，是推进SiOx基负极材料的实际应用的关键，也为制备高性能的锂离子电池负极提供了新的思路。
针对硅基负极材料的缺点，主要开展以下工作：从天然矿物材料滑石或者凹凸棒土中提取二氧化硅并保持其纳米棒结构；然后通过高能球磨法，调控工艺参数，将天然矿物制备的SiO2纳米棒与纳米Si粉末复合制备SiOx负极材料。为了提高电极材料的电导率，通过水热或者溶剂热法包覆均匀碳层得到核壳结构的硅碳复合材料。此外，调控原料中的SiOx与MgO含量，再通过高温煅烧生成歧化的SiOx与镁硅酸盐（MgxSiOy）的复合材料（SiOx -
MgxSiOy）。利用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、能谱仪（EDS）等手段对SiOx-MgxSiOy@C的形貌、成分、结构进行表征，并且将SiOx-MgxSiOy@C复合材料制备成电极浆料，组装成半电池，通过蓝电电池测试系统 (LAND) 和电化学工作站（PotentialStat）等分析测量手段获取SiOx-MgxSiOy@C复合电极的循环伏安曲线、充放电曲线，可逆放电电容量和循环库仑效率等，分析制备工艺、反应温度等对该复合电极充放电容量和循环稳定性的影响。