基于工业废料的Si/TiN/TiSi2多相复合锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能

作者：何东洋; 顾海涛; 丰震河; 高明霞^*; 刘永锋; 潘洪革

来源：材料科学与工程学报, 2021, 39(06): 889-895.

DOI：10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2021.06.003

• 锂离子电池
• 硅负极材料
• 多相复合
• 球磨
• 电化学性能

Si负极材料理论容量高,但其电子电导率低和脱嵌锂过程体积变化大易粉化,使其循环稳定性和倍率性能差以及高性能硅基锂离子电池负极材料成本高,这均妨碍了其大规模产业化应用。本研究提出以太阳能电池硅片切割废料Si粉和TiN粉为原材料,采用低成本的活性气体机械球磨法制备了一种高性能的Si/TiN/TiSi2多相复合负极储锂材料。研究发现,Si在H2气氛球磨过程中与部分TiN发生反应,原位生成了纳米尺度的TiSi2,TiN和新形成的TiSi2弥散于亚微米尺度的Si基体中。Si/TiN/TiSi2复合材料的电化学性能与TiN的添加量紧密相关。其中,物质的量比Si/0.2TiN的体系具有最佳的电化学性能,在300 mA·g-1电流密度下,其首次可逆容量为2394 mA·h·g-1,首次库伦效率达75.8%,经过200次循环后,容量仍保持1295 mA·h·g-1,保持率高达54%。在2.0 A·g-1电流密度下的可逆容量达到609 mA·h·g-1。机理分析表明:高导电的惰性相TiSi2和TiN弥散在Si基体中不仅有利于电极材料在充放电循环过程中的电子传输,且有效缓冲了Si在嵌脱锂过程的巨大体积变化。这是TiN添加改善硅基复合负极材料电化学性能的主要原因。

• 单位
  浙江大学; 上海空间电源研究所