碳化钼改性二氧化硅的制备及其电化学性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.220039

摘要/Abstract

摘要：

采用硅酸四乙酯、钼酸铵和蔗糖分别作为硅源、钼源和碳源，通过溶胶?凝胶法制备了碳包覆二氧化硅（SiO₂）和碳化钼（Mo₂C）颗粒的SiO₂/Mo₂C/C复合物，并借助X射线衍射仪、透射电子显微镜等仪器对复合物的物相组成、形貌结构等进行了表征测试，同时研究了复合物作为锂离子电池负极材料的电化学性能。结果表明，当硅酸四乙酯、钼酸铵和蔗糖的质量比为3∶1∶2（记为SiO₂/Mo₂C/C 2）用作锂离子电池的负极材料时具有较好的电化学性能。在电流密度为100 mA/g，首次充电和放电比容量分别为662和896 mA·h/g，经过200次循环后，可逆容量仍可达625 mA·h/g。即使在2 A/g的大电流密度下，可逆容量仍可达272 mA·h/g。该复合材料表现出良好的倍率性能和循环稳定性，这主要归因于Mo₂C具有良好的稳定性和较高的导电性，提高了SiO₂的导电性，同时碳包覆层可以保护核心材料直接与电解液反应生成副产物，还可以作为缓冲层减缓SiO₂的体积膨胀，因此在进行充放电的过程中，材料的电化学性能得到显著的提升。在此提出利用过渡金属碳化物改善SiO₂导电性和循环性能的新思想，可以为其它负极材料的改性提供新的研究思路并扩宽研究方向。

关键词: 二氧化硅, 碳化钼, 碳包覆, 锂离子电池

Abstract:

Carbon-coated silica （SiO₂） and molybdenum carbide （Mo₂C） particles are prepared by sol-gel method using tetraethyl silicate， ammonium molybdate and sucrose as silicon， molybdenum and carbon sources， respectively. The phase composition， morphology and structure of the composite are characterized by means of X-ray diffractometer， transmission electron microscope and other instruments， and the electrochemical performance of the composite as a negative electrode material for lithium ion batteries is also studied. The results show that when the mass ratio of tetraethyl silicate， ammonium molybdate and sucrose is 3∶1∶2 （denoted as SiO₂/Mo₂C/C 2）， it has good electrochemical performance when it is used as the negative electrode material of lithium ion battery. At the current density of 100 mA/g， the first charge and discharge specific capacities are 662 mA·h/g and 896 mA·h/g， respectively， and the reversible capacity can still reach 625 mA·h/g after 200 cycles. Even at a larger current density of 2 A/g， the reversible capacity can still reach 272 mA·h/g. The composite exhibits good rate performance and cycling stability， which is mainly attributed to the good stability and high electrical conductivity of Mo₂C which can effectively improve the poor conductivity of SiO₂ itself. The core material directly reacts with the electrolyte to generate by-products， and in addition， it can be used as a buffer layer to slow down the volume expansion of SiO₂， so the electrochemical performance of the material is significantly improved during the charging and discharging process. The new idea of ??using transition metal carbides to modify the poor conductivity and cycle performance of SiO₂ proposed here can provide new research ideas and broaden the research direction for the modification of other anode materials.

Key words: Silica, Molybdenum carbide, Carbon coating, Lithium-ion battery

中图分类号:

O646

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图/表 8

图1 不同原料比下SiO2/Mo2C/C复合物的XRD（A）及拉曼图谱（B）a. SiO2/Mo2C/C 1； b. SiO2/Mo2C/C 2； c. SiO2/Mo2C/C 3

Fig.1 XRD （A） and Raman （B） of SiO2/Mo2C/C composites with different raw material ratios

图2 不同物料比下SiO2/Mo2C/C复合物的XPS图谱总谱（A）、 C1s光谱（B）、 O1s光谱（C）、 Si2p光谱（D）及Mo3d光谱（E）a. SiO2/Mo2C/C 1； b. SiO2/Mo2C/C 2； c. SiO2/Mo2C/C 3

Fig.2 XPS spectra of SiO2/Mo2C/C composites under different material ratios total spectrum （A）， C1s spectrum （B）， O1s spectrum （C）， Si2p spectrum （D） and Mo3d spectrum （E）

图3 SiO2/Mo2C/C 2复合物的TEM图（A）、 HRTEM图（B）和EDS图（C）

Fig.3 TEM （A）， HRTEM （B） and EDS （C） images of SiO2/Mo2C/C 2 composites

图4 扫描速度为0.2 mV/s，不同物料比下SiO2/Mo2C/C复合物的循环伏安图（A）；不同扫速的SiO2/Mo2C/C 2复合物循环伏安图（B）a. SiO2/Mo2C/C 1； b. SiO2/Mo2C/C 2； c. SiO2/Mo2C/C 3

Fig.4 Cyclic voltammograms of SiO2/Mo2C/C composites with different material ratios at a scan speed of 0.2 mV/s （A）；Cyclic voltammograms of SiO2/Mo2C/C 2 composites with different scan speed （B）

图5 不同物料比下SiO2/Mo2C/C复合物的交流阻抗图（A）及Z'和ω-1/2的相关曲线图（B）a. SiO2/Mo2C/C 1； b. SiO2/Mo2C/C 2； c. SiO2/Mo2C/C 3

Fig.5 Nyquist plots of SiO2/Mo2C/C composites under different material ratios （A）； Correlation curves of Z' and ω-1/2（B）

图6 不同物料比下SiO2/Mo2C/C复合物的循环性能图（A）及倍率性能图（B）a. SiO2/Mo2C/C 1； b. SiO2/Mo2C/C 2； c. SiO2/Mo2C/C 3

Fig.6 Cycling performance（A）； Rate performance of SiO2/Mo2C/C composites under different material ratios（B）

图7 SiO2/Mo2C/C复合物在不同电流密度下的恒流充放电曲线a. SiO2/Mo2C/C 1； b. SiO2/Mo2C/C 2； c. SiO2/Mo2C/C 3

Fig.7 Constant current charge-discharge curves of SiO2/Mo2C/C composites at different current densities

图8 SiO2/Mo2C/C（a）、SiO2/C（b）和Mo2C/C（c）复合物的循环性能图（A）；倍率性能图（B）

Fig.8 Cycle performance （A）； Rate performance （B） plot of SiO2/Mo2C/C（a）、SiO2/C（b） and Mo2C/C（c） composites

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