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理論上,硅具有10倍于碳材料的嵌鋰容量,且價格低廉,將硅與碳制備成復合硅碳負極,能夠把硅與碳的優勢互補,提高鋰離子電池的能量密度。相比傳統的石墨負極,目前碳硅負極被認為是“下一代”鋰電負極材料,各大鋰電負極制造商都已經開展布局碳硅負極材料。
電極材料的比表面信息對于鋰離子電池的電化學性能、工作性能等有著重要的意義。本文將分享硅碳負極比表面數據,對不同的負極材料一探究竟。
根據不同工藝方法制備的硅碳負極,其比表面的大小也相差巨大,硅碳負極顆粒的比表面可以小于1m2/g,而有些可以大于100m2/g。Micromeritics亞太演示實驗室近期測試了市面上某硅碳負極材料的兩種樣品,使用Tristar II Plus比表面積與孔徑分析儀對該樣品在液氮(77K)溫度下進行了氮氣物理吸附實驗。
圖1:樣品1在相對壓力0.05-0.3區間的吸附等溫線
圖2:樣品2在相對壓力0.05-0.3區間的吸附等溫線
使用Tristar II Plus比表面積與孔徑分析儀分別對兩個硅碳負極樣品進行了6輪測試。通過77K下氮氣的吸附以及在相對壓力(P/P0)為0.05-0.3范圍內的等溫線數據,結合6點BET方法可以快速計算得到這2個樣品的BET比表面數值。
表1:碳硅負極比表面(m2/g)測試結果
以上兩個硅碳負極樣品脫氣條件為:200度下2小時真空脫氣。測試樣品管口徑為3/8英寸,使用了填充棒降低樣品管背景空間以提高信噪比。
由表1可見,兩個硅碳負極樣品的比表面不大,均在2左右且相當接近。Tristar II Plus比表面積與孔徑分析儀對2個樣品分別6輪測試結果的平行性很好,重復性很高,相對標準差均小于千分之五。使用77K氮氣吸附,在相對壓力0.05-0.3的范圍內,通過6點BET方法,可以很穩定的精確計算出低比表硅碳負極材料的比表面數值。
另外,從等溫線數據可以看出,兩個樣品在相對壓力為0.1處的累計吸附量很小,均不到0.6 cc/g(STP)。一般來說,當相對壓力達到0.1時,微孔填充已經達到飽和,所以在相對壓力為0.1處較低的累計吸附量可能預示著材料不含或含有很少的微孔,結合兩個樣品較低的比表面積,粗略判斷兩個硅碳負極樣品為大孔或無孔材料。如果需要對孔徑大小作準確的判斷,建議可以對材料做完整的吸脫附等溫線,從而得到完整的孔徑分布。
在鋰離子電池研發生產不斷升級、更替迭代的大環境下,了解材料性質對研究有著重要影響,Micromeritics致力于為鋰離子電池的研究工作提供專業支持,如您有相關材料需要研究或測樣,歡迎聯系我們,與我們的專業應用科學家團隊進行交流。
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