郭峰，陳鵬，康拓,3，王亞龍，劉承浩，沈炎賓,＊，盧威，陳立桅,5,＊

1中國科學技術(shù)大學納米技術(shù)與納米仿生學院，合肥 230026

2中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所國際實驗室，江蘇 蘇州 215123

3哈爾濱工業(yè)大學(深圳)材料科學與工程學院，廣東 深圳 518055

4天津中能鋰業(yè)有限公司，天津 300465

5上海交通大學化學化工學院，上海 200240

1 引言

自1991年索尼公司將鋰離子電池商業(yè)化以來，鋰離子電池便在我們?nèi)粘Ｉ畹碾娮釉O(shè)備、交通出行等各個領(lǐng)域的儲能應用中得到了迅猛的發(fā)展。而循環(huán)持久、安全可靠的高能量密度鋰離子電池一直是科研人員追求的目標1-3。金屬鋰作為鋰離子電池負極的“明星”材料，具有極高的質(zhì)量比容量(3860 mAh·g-1)和極低的還原電勢(相對于標準氫電極為-3.04 V)4-6。實際上，從上個世紀七十年代研究者們就開始了金屬鋰作為鋰電池負極的應用研究，并于八十年代將其與MoS2正極組裝成商業(yè)化的鋰金屬電池。然而，金屬鋰與電解液反應嚴重，鍍鋰過程體積膨脹大，且在循環(huán)中易生成枝晶，從而導致電池循環(huán)穩(wěn)定性差且容易發(fā)生短路產(chǎn)生大量的熱，甚至引起電池爆炸。因此，以金屬鋰為負極的鋰電池商業(yè)化推廣最終沒有成功。在隨后的多年里，金屬鋰的安全性問題一直困擾著科研工作者們7-9。

近些年來，為了解決金屬鋰與電解液反應，循環(huán)過程體積膨脹大，及循環(huán)過程易生長枝晶等問題，許多課題組都提出了改善方案10-16。有些課題組通過在電解液中加入六氟磷酸鋰等添加劑調(diào)控固態(tài)電解質(zhì)界面層(SEI)10,11；有些研究人員在金屬鋰的表面引入具有較高楊氏模量的二維材料12或具有高彈性形變的高分子材料13來抑制金屬鋰與電解液副反應的發(fā)生，以及金屬鋰枝晶的生長；也有的研究者通過構(gòu)筑三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)來引導金屬鋰的均勻沉積，避免循環(huán)過程中金屬鋰大的體積膨脹和鋰枝晶的產(chǎn)生14-16。

本課題組在前期的工作中，通過噴霧干燥構(gòu)筑了具有金屬鋰浸潤性的多孔碳納米管球(CNTs)，并通過熔融浸漬法，將熔融金屬鋰與多孔碳納米管球混合得到鋰碳復合微球(Li-CNT)，由于此微球具有較大的比表面積，較多的鋰沉積位點，因此能夠很好的抑制循環(huán)過程中金屬鋰的體積膨脹和金屬鋰枝晶的生成17,18。然而，由于金屬鋰更傾向于沉積在碳管球的外部，因此在循環(huán)后期，此鋰碳復合微球表面的固態(tài)電解質(zhì)界面層會逐漸變厚，導致電池的阻抗增大，庫侖效率較低。受硅碳復合材料研究工作的啟發(fā)19-22，在本工作中，我們使用硅納米顆粒分散到鋰碳復合微球中，提高了材料中鋰的含量，同時降低了電池的阻抗。硅擔載的鋰碳復合微球與磷酸鐵鋰正極組成全電池測得的庫侖效率得到明顯提高。

2 實驗部分

2.1 硅碳復合材料(CNT-Si)和鋰硅碳復合材料(Li-CNT-Si)的合成

通過噴霧干燥合成CNT-Si顆粒，具體實驗方法參考我們課題組先前報道的工作17。首先，將5.0 g CNT (山東大展納米材料技術(shù)有限公司)和5.0 g硅粉(Alfa Aesar Co.，Ltd.)分散在1000 mL乙醇和100 mL去離子水的混合溶液中。將混合溶液超聲處理2 h以形成分布均勻的CNT-Si懸浮液然后使用噴霧干燥器干燥，干燥器入口溫度為200 °C，出口空氣溫度100 °C，流速500 mL·h-1。從噴霧干燥器的收集器中，將CNT-Si微球收集起來。將2.0 g CNT-Si微球轉(zhuǎn)移到氬氣氣氛保護的手套箱中(水和氧氣質(zhì)量分數(shù)小于10-6)，與6.0 g鋰(天津中能鋰電有限公司)混合。CNT-Si微球和金屬鋰反應的容器為大小約100 mL的不銹鋼反應罐，該反應罐放置在電爐式加熱反應釜(威海新元化工機械有限公司)中，在200 °C下機械攪拌混合10 min，最終獲得Li-CNT-Si復合材料。

2.2 材料表征

樣品的晶體結(jié)構(gòu)使用X射線粉末衍射儀(XRD，Bruker D8 Advance，Cu Kαradiation，Germany)表征。形貌研究使用掃描電子顯微鏡(SEM，Hitachi S-4800)。對于循環(huán)電極的研究，需在充滿氬氣的手套箱中將電極從紐扣電池中拆下，然后用碳酸二甲酯(DMC)清洗。另外，將拆解下的極片直接轉(zhuǎn)移到手套箱烘箱中50 °C真空干燥12 h，這種處理方式的極片是為了利用X射線光電子能譜(XPS，ESCALAB 250，America，Al Kαradiation，hν =1486.6 eV)分析極片表面成分。

2.3 電化學表征

所有電池測試均使用CR2025型號紐扣電池。所有紐扣電池在充滿氬氣的手套箱中裝配，手套箱中水和氧氣質(zhì)量分數(shù)小于10-6。實驗中使用的隔膜是Celgard 2400，使用的碳酸鹽基電解液是1.0 mol·L-1六氟磷酸鋰(LiPF6)溶解在EC (碳酸乙烯酯)/DMC (碳酸二甲酯)/EMC (碳酸甲乙酯) (體積比1 : 1 : 1)混合溶劑中。每個電池使用的電解液的量為50 μL。對于電化學測試，將Li-CNT-Si粉末壓制在泡沫銅(Taili Metal Foam Co.，Suzhou，China)上作為研究電極，其面容量為～20 mAh·cm-2。在NEWARE多通道電池測試儀(NEWARE technology Ltd. Shenzhen)上進行恒電流放電/充電循環(huán)。鋰對稱電池使用碳酸鹽基電解液，以0.5 mA·cm-2的電流密度和0.5 mAh·cm-2的容量密度進行重復拔鋰/鍍鋰測試。電化學阻抗譜(EIS)的測試是使用RST 5000電化學工作站(Suzhou Risetest Electronic Co.，Ltd.)，在100 kHz至0.1 Hz的頻率范圍內(nèi)和5 mV的幅度條件下測試。在全電池測試中，使用Li-CNTSi電極用作負極，同時使用面容量為2.5 mAh·cm-2的磷酸鐵鋰(LFP)(Sinlion Battery Tech，Co.，Ltd.)作為正極，并用酯基電解液，在1C倍率下，2.5-4.1 V之間進行充放電循環(huán)。

3 結(jié)果與討論

我們首先選用了四個不同質(zhì)量比例(5%，10%，30%和50%)的納米硅和碳納米管混合進行噴霧干燥，得到黑色粉末狀的納米硅-碳納米管復合微球(CNT-Si)。通過在電鏡下觀察樣品可以發(fā)現(xiàn)，四個不同的硅添加量均可以得到大小相似的CNT-Si微球，當逐漸增加硅的比例時，在碳管球中能看到更多的硅納米顆粒(圖1a-d)。將這些具有不同硅顆粒含量的CNT-Si復合微球與熔融的金屬鋰按照一定質(zhì)量比攪拌混合，發(fā)現(xiàn)得到的鋰碳復合(Li-CNTSi)材料中，含有5%和10%兩個較低硅含量的產(chǎn)品仍然為黑色粉末狀(圖1e-f)；而含有更高硅含量(30%，50%)的CNT-Si樣品與熔融的金屬鋰攪拌后則會結(jié)塊(圖1g-h)。用掃描電鏡觀察含有10%硅的CNT-Si (圖1i)和Li-CNT-Si (圖1j)發(fā)現(xiàn)，CNT-Si復合球粒徑大約5 μm。碳管微球與熔融的金屬鋰混合攪拌后，在碳管球的表面可以明顯地看到碳納米管和納米硅顆粒都被金屬鋰覆蓋(圖1j)。此形貌結(jié)構(gòu)相對于沒有硅擔載的Li-CNT來說17，表面金屬鋰填充更滿，根據(jù)經(jīng)驗，密實的金屬鋰填充可抑制電解液進入微球內(nèi)部與金屬鋰發(fā)生反應持續(xù)消耗金屬鋰和電解液，提高材料的庫侖效率18。此外，我們選取了5%和10%的粉末樣品進行恒流充放電實驗測試，發(fā)現(xiàn)10%硅添加量的Li-CNT-Si循環(huán)過電勢更小(圖1k)。因此，最終選取含有10%硅的鋰碳管球進行電化學等性能評估。

圖1 a-d：不同納米硅擔載量的CNT-Si微球掃描電鏡圖，a. 5%, b. 10%, c. 30%, d. 50% (插圖：顆粒部分放大)；e-h：Li-CNT-Si微球的照片，e. 5%，f. 10%，g. 30%，h. 50%；i-j：10%硅擔載量的CNT-Si微球的不同倍率SEM圖；k：5%和10%硅擔載量的CLi-CNT-Si的對稱電池循環(huán)圖Fig. 1 a-d: SEM images of CNT-Si microspheres with different nano-silicon doping, a. 5%, b. 10%, c. 30%, d. 50%(insert images: partial magnification SEM images); e-h: Macroscopic morphology of Li-CNT-Si microsphere with different nano-silicon doping, e. 5%, f. 10%, g. 30%, h. 50%; i: SEM image of CNT-Si with 10% nano-silicon doping and j: SEM images of Li-CNT-Si microspheres (insert images: partial magnification SEM images);k: Galvanostatic charge and discharge curves of Li-CNT-Si with 5% and 10% nano-silicon doping.

對Li-CNT-Si樣品進行XRD測試，能夠明顯的看到碳材料和金屬鋰的衍射峰(圖2a)。但是與CNTs和Li-CNT復合材料比較，發(fā)現(xiàn)在CNT-Si和Li-CNT-Si樣品中并沒有監(jiān)測到硅的衍射峰，這可能是因為本工作中使用的是無定形的納米硅，因此基本沒有硅的衍射峰。同時，Li-CNT-Si樣品中也沒有檢測到Li-Si合金的峰，說明Li-CNT-Si中的鋰和硅沒有發(fā)生合金化反應，或者至少說沒有生成晶態(tài)的Li-Si合金。對Li-CNT和Li-CNT-Si進行恒流拔鋰實驗后可以看到，添加10%的納米硅后，材料的比容量從2000 mAh·g-1提高到了2600 mAh·g-1，同時與Li-CNT相比，拔鋰過電勢也降低了(圖2b)。此外，比較添加硅前后的碳管球的鍍鋰過電勢可以看出，加入納米硅后金屬鋰在碳材料上的沉積過電勢(圖2c)也減小了，這有利于在充電過程中引導鋰離子沉積到復合微球內(nèi)部。因此，硅的引入不僅可以提高鋰碳復合材料的容量，還能降低金屬鋰的溶出/沉積過電勢，提高材料的電化學性能。

圖2 a. CNTs，CNT-Si，Li-CNT和Li-CNT-Si四種樣品的XRD衍射圖譜; b. Li-CNT和Li-CNT-Si樣品的恒流放電曲線；c. CNTs和CNT-Si樣品的恒流充電曲線Fig. 2 a. XRD diffraction patterns of the CNTs, CNT-Si, Li-CNT and Li-CNT-Si samples; b. Galvanostatic discharge curves of Li-CNT and Li-CNT-Si samples; c. Galvanostatic charging curves of the CNTs and the CNT-Si samples.

圖3 a：Li||Li對稱電池，Li||Li-CNT和Li||Li-CNT-Si半電池過電勢對比；b，c：Li ||Li、Li||Li-CNT和Li||Li-CNT-Si電池不同循環(huán)圈數(shù)阻抗比較；d，e：Li-CNT-Si極片循環(huán)后形貌Fig. 3 a: The comparison of the overpotential of Li||Li symmetrical battery, Li||Li-CNT and Li||Li-CNT-Si half-cell;b, c: The comparison of the impedance of Li||Li, Li||Li-CNT and Li||Li-CNT-Si batteries at different cycle numbers;d, e: The SEM images of the Li-CNT-Si after cycling.

將Li||Li對稱電池，Li||Li-CNT和Li||Li-CNT-Si半電池中加入常規(guī)酯類電解液(1.0 mol·L-1LiPF6溶解在EC : DMC : EMC = 1 : 1 : 1 (體積比)的混合溶液中)，并以0.5 mA·cm-2的電流密度，和0.5 mAh·cm-2的循環(huán)容量進行恒流充放電。從圖3a可以看出，在循環(huán)的開始階段，金屬鋰的極化電壓迅速減?。河勺畛醯募s200 mV經(jīng)過20圈循環(huán)后降到了37 mV。這種情況在金屬鋰平板電極中很常見，應該是因為金屬鋰在循環(huán)的開始階段逐漸生成鋰枝晶，使鋰片的比表面積增大，引起過電勢逐漸減小23。隨著循環(huán)的進行，金屬鋰對稱電池的過電勢逐漸增大，經(jīng)過約280圈循環(huán)以后過電勢出現(xiàn)無規(guī)律的上下波動。這主要是因為隨著鋰枝晶的增多，負極界面處的死鋰堆積變多，降低鋰離子電導率，增大了界面阻抗，最終導致電池失效24,25。對于Li||Li-CNT電池，循環(huán)的開始階段電池過電勢較小，約為50 mV。但隨著循環(huán)的進行，由于Li-CNT復合物的含鋰量較少，孔隙多，表面積大，生成較多的SEI，造成電池過電勢的逐漸增大。經(jīng)過200圈循環(huán)后，電池的過電勢增加到將近400 mV。相比之下，Li||Li-CNT-Si半電池則能以較小的過電勢穩(wěn)定循環(huán)300圈以上。測試Li||Li對稱電池和Li||Li-CNT、Li||Li-CNT-Si半電池不同循環(huán)圈數(shù)的電化學阻抗可以看出，Li||Li-CNT和Li||Li-CNT-Si半電池在不同循環(huán)圈數(shù)的阻抗值明顯小于鋰片對稱電池(圖3c)。鋰片對稱電池第一圈的阻抗值為300 Ω，隨著循環(huán)的進行中鋰枝晶的產(chǎn)生，該值逐漸減小，規(guī)律與過電勢變化一致。而Li||Li-CNT和Li||Li-CNTSi半電池的阻抗隨著循環(huán)次數(shù)的增加，數(shù)值略微增大。這主要是由于鋰碳球表面SEI略微變厚導致。同時，Li||Li-CNT半電池的循環(huán)阻抗略大于Li||Li-CNT-Si半電池的阻抗，這與之前兩者半電池過電勢的規(guī)律也保持一致。將循環(huán)后的電池拆開，掃描電鏡下觀察Li-CNT-Si微球極片發(fā)現(xiàn)，循環(huán)后其形貌仍為分散的微米球顆粒(圖3d，e)，結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯的變化，表面也沒有發(fā)現(xiàn)枝晶的存在。

圖4 a. Li||LFP，Li-CNT||LFP和Li-CNT-Si ||LFP電池循環(huán)曲線(正負極容量比1 : 30，循環(huán)電流0.7 mA·cm-2)；b. Li-CNT-Si||LFP電池不同循環(huán)圈數(shù)電壓-比容量曲線Fig. 4 a. The cycle performance of the Li||LFP, Li-CNT||LFP and Li-CNT-Si||LFP battery (the capacitance ratio of the cathode to the anode: 1 : 30, charge/discharge current: 0.7 mA·cm-2); b. The voltage profiles of the Li-CNT-Si||LFP battery at different cycle numbers.

全電池測試采用容量為～1.4 mAh的LFP極片為正極，容量約為40 mAh的Li-CNT-Si極片為負極(對照組采用金屬鋰片為負極，容量約為40 mAh)，和酯類電解液(1.0 mol·L-1LiPF6溶解在EC : DMC :EMC = 1 : 1 : 1 (體積比)的混合溶液中)，循環(huán)測試的電流密度和容量分別為0.7 mA·cm-2和0.7 mAh·cm-2。如圖4所示，在同樣的測試條件下，Li||LFP電池循環(huán)了100圈后就開始出現(xiàn)容量跳水，意味著負極過量的金屬鋰已經(jīng)消耗完。假設(shè)循環(huán)過程中LFP正極的容量沒有衰減，電池的容量消耗都是負極端的副反應造成，則可計算得金屬鋰的庫侖效率為79.3%26。Li-CNT||LFP電池比Li||LFP電池的循環(huán)性能有所提升，能穩(wěn)定循環(huán)將近300圈，庫侖效率為90.1%17。相比之下，Li-CNTSi||LFP 電池循環(huán)900圈后才開始出現(xiàn)容量的快速衰減，折合庫侖效率為96.7% (圖4a)。此庫侖效率不僅大大高于金屬鋰電極，相對于沒有硅擔載的Li-CNT負極來講也有較大的提高，主要原因應該是納米Si顆粒有較低的鋰沉積過電勢，可以很好的引導金屬鋰離子沉積到微球內(nèi)部，減少了沉積在微球外面的鋰金屬和電解液反應，同時納米硅顆粒摻入碳管球后，金屬鋰在碳管微球表面和內(nèi)部填充更滿，降低了電解液進入微球內(nèi)部與金屬鋰發(fā)生反應持續(xù)消耗金屬鋰和電解液，從而提高了電池的庫侖效率和循環(huán)性能。此外，循環(huán)過程中，Li-CNT-Si||LFP電池的過電勢相對穩(wěn)定，前500圈電池充放電曲線的過電勢基本沒有發(fā)生變化，但是500圈后，電池極化增大(圖4b)，可能是循環(huán)后期Li-CNT-Si材料表面的固態(tài)電解質(zhì)層慢慢變厚造成。

由于硅是一種常見的鋰離子電池負極材料，其可與鋰形成合金從而提供容量27。圖2中的XRD表征結(jié)果已經(jīng)可以看出，CNT-Si和熔融金屬鋰混合制備得到的Li-CNT-Si復合材料中并沒有鋰硅合金的衍射峰出現(xiàn)，說明Li-CNT-Si復合材料中硅和金屬鋰沒有反應生成晶態(tài)的鋰硅合金。但是初始Li-CNT-Si復合材料中，以及充放電過程中，是否有無定形態(tài)的鋰硅合金產(chǎn)生還有待研究。因此，我們進一步用XPS研究了在循環(huán)前，以及充放電循環(huán)過程中納米硅在Li-CNT-Si中的存在形式。如圖5所示。初始Li-CNT-Si樣品中，只有在99.0 eV位置檢測出現(xiàn)一個單質(zhì)硅的峰，并未檢測到鋰硅合金，與XRD結(jié)果相一致，這很有可能是由于制備過程時間較短，沒有達到形成合金的反應條件27,28。對經(jīng)過充放電循環(huán)后的Li-CNT-Si樣品進行XPS測試發(fā)現(xiàn)，硅的存在形式也同樣為單質(zhì)硅。因此，納米硅在Li-CNT-Si材料中的主要作用是降低金屬鋰的溶出/沉積阻抗，提高了金屬鋰在循環(huán)過程中的利用率。

圖5 Li-CNT-Si樣品在初始階段和充放電循環(huán)后的XPS圖譜Fig. 5 XPS spectra of Li-CNT-Si samples after initial preparation, charge and discharge cycles.

4 結(jié)論

在本工作中，我們構(gòu)筑了納米硅擔載的Li-CNT-Si復合微球作為鋰電池的負極材料，其比容量高達2600 mAh·g-1，且具有較低的金屬鋰沉積/溶解過電勢，提高了材料的庫侖效率。同時，碳管微球骨架大的比表面積和良好的機械強度能實現(xiàn)金屬鋰的均勻沉積和在循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使得該材料在長循環(huán)后仍沒有枝晶的生成，保持形貌基本不變。當與商用磷酸鐵鋰組成全電池后，在常規(guī)酯類電解液中1C條件下能穩(wěn)定循環(huán)900圈以上，庫侖效率得到96.7%。因此，經(jīng)過簡單的熔融浸漬法得到的Li-CNT-Si可作為高容量密度電池的負極材料，在鋰電池以及具有更高能量密度的鋰硫、鋰氧電池體系中具有巨大的應用潛力。