本發(fā)明涉及復(fù)合材料的制備領(lǐng)域，具體涉及一種硅包裹的碳纖維復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各種電子設(shè)備和電動(dòng)汽車都有了廣泛的應(yīng)用，對(duì)化學(xué)電源的要求也越來(lái)越高。鋰離子電池由于其體積小，比容量高，綠色環(huán)保，可多次充放電等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中。

目前商品化的鋰離子電池的負(fù)極材料多為石墨，但是石墨較低的理論比容量(372mAh/g)，限制了高容量鋰離子電池的進(jìn)一步發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，硅基、錫基及其他合金材料的可逆儲(chǔ)鋰容量遠(yuǎn)大于石墨，但是由于鋰離子脫嵌過(guò)程中的體積效應(yīng)，導(dǎo)致這些材料的循環(huán)穩(wěn)定性較差，無(wú)法商業(yè)化。所以，如何降低這些材料的體積效應(yīng)成了當(dāng)前鋰離子電池研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題。

在非石墨系負(fù)極材料中，硅由于具有高的理論比容量(4200mAh/g)、高穩(wěn)定性、安全、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的關(guān)注。但是在鋰離子脫嵌過(guò)程中體積膨脹與收縮嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致材料粉碎脫落，比容量下降快，循環(huán)穩(wěn)定性差。另外，硅的導(dǎo)電性不是很好，這極大的影響了硅陰極材料的循環(huán)性能及硅基陽(yáng)極材料鋰離子電池的應(yīng)用。

目前，研究者通過(guò)多種方法來(lái)解決硅基陰極材料存在的問(wèn)題，其中包括納米化、薄膜化、復(fù)合化等。碳材料具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)電性好，另外，碳材料本身就是一種很好的儲(chǔ)鋰材料，儲(chǔ)鋰過(guò)程中體積變化小，能承受一定的機(jī)械應(yīng)力，對(duì)硅的體積膨脹起到一定的緩沖作用且與硅的嵌鋰電位相似與硅復(fù)合后對(duì)材料容量損失相對(duì)較小，因此，在硅基復(fù)合材料中得到廣泛的研究。近年來(lái)，一般采用高能球磨法或化學(xué)氣相沉積(CVD)法等制備硅/碳納米復(fù)合材料。盡管這些措施都不同程度地提高了硅基陰極材料的性能，但制備過(guò)程復(fù)雜，需要昂貴的儀器設(shè)備，成本高，使得硅基陽(yáng)極材料與商業(yè)化應(yīng)用還存在一定距離。

如公開(kāi)號(hào)為CN103730645A的專利文獻(xiàn)中公開(kāi)了一種用于鋰離子電池的硅包覆碳纖維納米復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，具體步驟為：以四甲氧基硅烷為前體物，天然纖維素為模板和碳源，首先經(jīng)表面溶膠-凝膠法在天然纖維素表面沉積納米二氧化硅凝膠膜，再經(jīng)惰性氣體中煅燒碳化得到二氧化硅包覆碳纖維納米復(fù)合材料，最后采用低溫鎂熱還原法還原得到硅包覆碳纖維納米復(fù)合材料。該制備方法中，通過(guò)重復(fù)靜置沉積-水解的操作多次后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積的納米二氧化硅凝膠膜厚度的精確調(diào)控，以得到不同硅含量的硅包覆碳纖維納米復(fù)合材料。當(dāng)該方法仍然存在以下弊端：

1)、制備得到的硅包覆碳纖維納米復(fù)合材料中的硅含量過(guò)低，導(dǎo)致硅包覆碳纖維納米復(fù)合材料的比容量不高，與石墨負(fù)極材料相比，在比容量方面優(yōu)勢(shì)不大，不利于提高鋰離子電池的性能。

2)、制備工藝復(fù)雜，較難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種硅包裹的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，經(jīng)一步浸漬處理，在天然纖維素表面定量沉積高硅含量的二氧化硅凝膠膜，大大簡(jiǎn)化了制備工藝，提高了工作效率，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。以本方法制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料作為鋰離子電池的負(fù)極材料，具有比容量大，循環(huán)穩(wěn)定性高，循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明公開(kāi)了一種硅包裹的碳纖維復(fù)合材料的制備方法，具體步驟如下：

(1)配置硅氧烷前體物溶液待用，將天然纖維素浸入硅氧烷前體物溶液中，室溫自然干燥，得到表面沉積二氧化硅凝膠膜的天然纖維素材料；

(2)步驟(1)得到的表面沉積二氧化硅凝膠膜的天然纖維素材料經(jīng)碳化和鎂熱還原處理后得到硅包裹的碳纖維復(fù)合材料。

本發(fā)明針對(duì)硅在鋰脫嵌時(shí)產(chǎn)生的嚴(yán)重體積效應(yīng)，利用碳材料的支持及緩沖作用，保持硅高比容量的特性，并增加其循環(huán)穩(wěn)定性。

步驟(1)中，配置硅氧烷前體物溶液所需的溶劑只需可以溶解硅氧烷前體物即可，作為優(yōu)選，所述的硅氧烷前體物為四乙氧基硅烷或四甲氧基硅烷，溶劑為乙醇。

電化學(xué)性能與復(fù)合材料中硅的含量及硅層厚度有關(guān)。而硅氧烷前體物溶液的濃度將直接影響制備得到的復(fù)合材料中硅的含量及硅層厚度。作為優(yōu)選，所述硅氧烷前體物溶液的濃度為0.1M～1.2M。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硅層的厚度太薄，不利于提高復(fù)合材料的比容量，太厚復(fù)合材料的比容量衰減快，穩(wěn)定性差。因此，硅氧烷前體物溶液的濃度再優(yōu)選為0.1～0.6M。

進(jìn)一步地，經(jīng)試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅氧烷前體物溶液的濃度為0.3M時(shí)，制備的硅包覆碳纖維復(fù)合材料中，硅的質(zhì)量百分含量為25wt％，厚度約為40nm。該復(fù)合材料中硅層的厚度適中，一方面有利于緩沖硅納米顆粒嵌鋰脫鋰過(guò)程中巨大體積變化,有效防止材料粉碎脫落，另一方面，較薄的硅層有利于傳遞硅嵌鋰時(shí)體積增加產(chǎn)生的應(yīng)力。另外，多層次結(jié)構(gòu)的碳纖維網(wǎng)狀基底對(duì)硅層的緩沖作用也有一定的限制。所以，用該濃度的硅氧烷前體物溶液制備得到硅包裹的碳纖維復(fù)合材料比容量最大，在充放電循環(huán)中穩(wěn)定性也較好。因此，最優(yōu)選的硅氧烷前體物溶液的濃度為0.3M。

本發(fā)明中采用的碳材料來(lái)源于天然纖維素，天然纖維素在惰性氣體中加溫，當(dāng)?shù)竭_(dá)275℃即開(kāi)始自發(fā)性炭化，在缺氧的情況下僅有部分的碳及其它的成分燒掉，當(dāng)溫度達(dá)到400～500℃時(shí)炭化完成，得到的碳材料能有效緩沖硅脫嵌鋰時(shí)嚴(yán)重的體積變化，并且增加材料的導(dǎo)電性。作為優(yōu)選，步驟(1)中，所述的天然纖維素包括定量濾紙、棉花或棉布。進(jìn)一步優(yōu)選為定量濾紙，定量濾紙由許多微米級(jí)纖維網(wǎng)交織而成，而這些微米級(jí)纖維又由許多納米級(jí)纖維捆綁交織而成，具有纖維狀層級(jí)結(jié)構(gòu)，具有很大的比表面積，有利于電子的傳輸，提高材料的導(dǎo)電性，可有效提高材料的比容量。

作為優(yōu)選，步驟(2)中，所述的碳化處理在惰性氣氛下進(jìn)行，碳化溫度為450～750℃，時(shí)間為5～10h。

作為優(yōu)選，步驟(2)中，所述鎂熱還原處理的具體工藝為：

將表面沉積二氧化硅凝膠膜的天然纖維素材料的碳化產(chǎn)物與鎂粉混合，在650～750℃、惰性氣氛下還原，得到所述的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料；

所述表面沉積二氧化硅凝膠膜的天然纖維素材料的碳化產(chǎn)物和鎂粉的質(zhì)量比為1:1～5。

更進(jìn)一步優(yōu)選：

步驟(2)中，碳化處理工藝為：氬氣保護(hù)下600℃碳化6h；鎂熱還原處理工藝為：表面沉積二氧化硅凝膠膜的天然纖維素材料的碳化產(chǎn)物和鎂粉按質(zhì)量比1:1混合，在700℃、氬氣中還原6h。

上述的碳化處理及鎂熱還原處理的具體工藝條件均是經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)的，與由0.1～0.6M的硅氧烷前體物溶液制備的表面沉積二氧化硅凝膠膜的天然纖維素材料最匹配的后續(xù)處理工藝。當(dāng)然，與上述后續(xù)處理工藝最為匹配的硅氧烷前體物溶液濃度為0.3M。

作為優(yōu)選，鎂熱還原處理后的產(chǎn)物再經(jīng)鹽酸浸泡、洗滌、干燥后得到所述的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料。

作為優(yōu)選，碳化和鎂熱還原處理中采用的惰性氣體為高純氬氣。

本發(fā)明還公開(kāi)了根據(jù)上述的方法制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料及其在鋰離子電池中的應(yīng)用。

為了檢測(cè)制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料的電化學(xué)性能，將其組裝成紐扣電池進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試。與目前商業(yè)鋰離子電池中常用的石墨類負(fù)極材料相比具有更大的比容量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明在天然纖維素材料表面沉積二氧化硅凝膠膜的過(guò)程中，僅采用了一步浸漬處理，就實(shí)現(xiàn)了高硅含量的沉積，且通過(guò)改變所用前體物溶液的濃度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化硅凝膠膜中硅含量的調(diào)控，大大簡(jiǎn)化了制備工藝，提高了工作效率，便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

2、本發(fā)明中的制備方法簡(jiǎn)單易行、低成本、無(wú)污染。

3、以本方法制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料作為負(fù)極材料組裝的鋰離子電池，具有比容量大，循環(huán)穩(wěn)定性高，循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料在不同放大倍數(shù)下的掃描電鏡照片；

圖2為實(shí)施例1制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料的透射電鏡照片；

圖3為實(shí)施例1制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料的高分辨透射電鏡照片；

圖4為對(duì)比例制備的硅納米管材料的透射電鏡和高倍透射電鏡照片；

圖5為電池1的恒電流充、放電循環(huán)性能及庫(kù)倫效率曲線；

圖6為電池1在不同倍率下的充放電循環(huán)性能曲線；

圖7為電池1、2的恒電流充放電循環(huán)性能曲線的對(duì)比圖；

圖8為實(shí)施例2制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料在不同放大倍數(shù)下的掃描和透射電鏡照片；

圖9為實(shí)施例3制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料在不同放大倍數(shù)下的掃描和透射電鏡照片；

圖10為實(shí)施例4制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料在不同放大倍數(shù)下的掃描和透射電鏡照片；

圖11為電池3的恒電流充、放電循環(huán)性能及庫(kù)倫效率曲線；

圖12為電池3在不同倍率下的充放電循環(huán)性能曲線；

圖13為電池4的恒電流充、放電循環(huán)性能及庫(kù)倫效率曲線；

圖14為電池4在不同倍率下的充放電循環(huán)性能曲線；

圖15為電池5的恒電流充、放電循環(huán)性能及庫(kù)倫效率曲線；

圖16為電池5在不同倍率下的充放電循環(huán)性能曲線。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

(1)以乙醇為溶劑，配置濃度為0.3M的四乙氧基硅烷溶液，并在室溫下攪拌2個(gè)小時(shí)。

(2)將實(shí)驗(yàn)室常用定量濾紙浸入到上述四乙氧基硅烷/乙醇溶液中，室溫下自然干燥，得到表面沉積二氧化硅凝膠膜的天然纖維素材料。

(3)步驟(2)得到的表面沉積二氧化硅凝膠膜的天然纖維素在高純氬氣保護(hù)下600℃碳化6h，得到二氧化硅包裹的碳纖維復(fù)合材料。

(4)將步驟(3)得到的二氧化硅包裹的碳纖維復(fù)合材料和鎂粉按質(zhì)量比1:1混合，在700℃、高純氬氣中還原6h，還原產(chǎn)物用鹽酸浸泡8h，再用蒸餾水和乙醇洗滌，真空干燥，得到所述的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料。

本實(shí)施例制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料的掃描電鏡照片如圖1所示，圖1a)為放大10k倍的掃描電鏡照片，內(nèi)附圖為材料的照片；圖1b)為放大50k倍的掃描電鏡照片。觀察圖1可以看到，硅包裹的碳纖維復(fù)合材料很好地復(fù)制了定量濾紙的纖維狀結(jié)構(gòu)，纖維的直徑為100～200nm。

本實(shí)施例制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料的透射電鏡照片如圖2所示，圖中為單根硅包裹的碳纖維。纖維的直徑約150nm，纖維表面包裹的硅層的厚度為30～50nm，硅顆粒的大小為幾納米。圖3為硅包裹的碳纖維復(fù)合材料的高分辨透射電鏡照片，可以看到硅晶體的晶格條紋對(duì)應(yīng)硅的(220)晶面。圖中插入的是選區(qū)電子衍射圖像，電子衍射圖譜顯示晶型的硅，1、2衍射環(huán)分別對(duì)應(yīng)硅的(311)和(511)晶面。證明經(jīng)低溫鎂熱還原后，二氧化硅成功地還原為晶體硅。

對(duì)比例：

將實(shí)施例1中步驟(3)改為在空氣中600℃下煅燒6h，其余均與實(shí)施例1相同。通過(guò)空氣煅燒除去作為模板的天然纖維素，制備得到的為二氧化硅納米管材料，再經(jīng)鎂熱還原得到硅納米管材料。

對(duì)比例制備的硅納米管材料的透射電鏡a)和b)、高分辨透射電鏡照片c)和選區(qū)電子衍射圖d)如圖4所示，能清晰看到硅納米管材料的管狀結(jié)構(gòu)，納米顆粒的硅堆積在一起形成管壁。從高分辨透射電鏡照片可以看到晶體硅的(111)晶面，選區(qū)電子衍射圖中的1～3衍射環(huán)對(duì)應(yīng)硅的(220)，(422)和(511)晶面。

實(shí)施例2：

(1)以乙醇為溶劑，配置濃度為0.1M的四乙氧基硅烷溶液，并在室溫下攪拌2個(gè)小時(shí)。

(2)將實(shí)驗(yàn)室常用定量濾紙浸入到上述四乙氧基硅烷/乙醇溶液中，室溫下自然干燥，得到表面沉積二氧化硅凝膠膜的天然纖維素材料。

(3)步驟(2)得到的表面沉積二氧化硅凝膠膜的天然纖維素在高純氬氣保護(hù)下600℃碳化6h，得到二氧化硅包裹的碳纖維復(fù)合材料。

(4)將步驟(3)得到的二氧化硅包裹的碳纖維復(fù)合材料和鎂粉按質(zhì)量比1:1混合，在700℃、高純氬氣中還原6h，還原產(chǎn)物用鹽酸浸泡8h，再用蒸餾水和乙醇洗滌，真空干燥，得到所述的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料。

本實(shí)施例制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料的掃描電鏡照片如圖8所示，圖8a)為放大20k倍的掃描電鏡照片，內(nèi)附圖為材料的照片；圖8b)為放大80k倍的掃描電鏡照片。從掃描電鏡照片中可觀察到硅包裹的碳纖維復(fù)合材料很好地復(fù)制了定量濾紙的纖維狀結(jié)構(gòu)，纖維的直徑為100～200nm。

本實(shí)施例制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料的透射電鏡照片如圖8c)和d)所示，圖中為單根硅包裹的碳纖維。纖維的直徑約150nm，纖維表面包裹的硅層的厚度約為20nm。

實(shí)施例3：

(1)以乙醇為溶劑，配置濃度為0.6M的四乙氧基硅烷溶液，并在室溫下攪拌2個(gè)小時(shí)。

(2)將實(shí)驗(yàn)室常用定量濾紙浸入到上述四乙氧基硅烷/乙醇溶液中，室溫下自然干燥，得到表面沉積二氧化硅凝膠膜的天然纖維素材料。

(3)步驟(2)得到的表面沉積二氧化硅凝膠膜的天然纖維素在高純氬氣保護(hù)下600℃碳化6h，得到二氧化硅包裹的碳纖維復(fù)合材料。

(4)將步驟(3)得到的二氧化硅包裹的碳纖維復(fù)合材料和鎂粉按質(zhì)量比1:1混合，在700℃、高純氬氣中還原6h，還原產(chǎn)物用鹽酸浸泡8h，再用蒸餾水和乙醇洗滌，真空干燥，得到所述的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料。

本實(shí)施例制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料的掃描電鏡照片如圖9所示，圖9a)為放大20k倍的掃描電鏡照片，內(nèi)附圖為材料的照片；圖9b)為放大100k倍的掃描電鏡照片。從掃描電鏡照片中可觀察到硅包裹的碳纖維復(fù)合材料很好地復(fù)制了定量濾紙的纖維狀結(jié)構(gòu)，纖維的直徑為100～200nm。

本實(shí)施例制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料的透射電鏡照片如圖9c)和d)所示，圖中為單根硅包裹的碳纖維。纖維的直徑約150nm，纖維表面包裹的硅層的厚度約為50nm。

實(shí)施例4：

(1)以乙醇為溶劑，配置濃度為1.2M的四乙氧基硅烷溶液，并在室溫下攪拌2個(gè)小時(shí)。

(2)將實(shí)驗(yàn)室常用定量濾紙浸入到上述四乙氧基硅烷/乙醇溶液中，室溫下自然干燥，得到表面沉積二氧化硅凝膠膜的天然纖維素材料。

(3)步驟(2)得到的表面沉積二氧化硅凝膠膜的天然纖維素在高純氬氣保護(hù)下600℃碳化6h，得到二氧化硅包裹的碳纖維復(fù)合材料。

(4)將步驟(3)得到的二氧化硅包裹的碳纖維復(fù)合材料和鎂粉按質(zhì)量比1:1混合，在700℃、高純氬氣中還原6h，還原產(chǎn)物用鹽酸浸泡8h，再用蒸餾水和乙醇洗滌，真空干燥，得到所述的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料。

本實(shí)施例制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料的掃描電鏡照片如圖10所示，圖10a)為放大20k倍的掃描電鏡照片，內(nèi)附圖為材料的照片；圖10b)為放大80k倍的掃描電鏡照片。從掃描電鏡照片中可觀察到硅包裹的碳纖維復(fù)合材料很好地復(fù)制了定量濾紙的纖維狀結(jié)構(gòu)，纖維的直徑為100～200nm。

本實(shí)施例制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料的透射電鏡照片如圖10c)和d)所示，圖中為單根硅包裹的碳纖維。纖維的直徑約150nm，纖維表面包裹的硅層的厚度約為60nm。

應(yīng)用例：

將材料a在瑪瑙研缽中研磨30min，稱量40mg并以質(zhì)量比70:15:15與超導(dǎo)電碳和粘結(jié)劑PVDF混合，調(diào)成糊狀漿料，涂于泡沫鎳上，真空干燥12小時(shí)，壓片。

當(dāng)材料a為實(shí)施例制備得到的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料時(shí)，制備成的鋰離子電池負(fù)極片記為1；

當(dāng)材料a為對(duì)比例制備得到的硅納米管材料時(shí)，制備成的鋰離子電池負(fù)極片記為2；

當(dāng)材料a為實(shí)施例2制備得到的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料時(shí)，制備成的鋰離子電池負(fù)極片記為3；

當(dāng)材料a為實(shí)施例3制備得到的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料時(shí)，制備成的鋰離子電池負(fù)極片記為4；

當(dāng)材料a為實(shí)施例4制備得到的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料時(shí)，制備成的鋰離子電池負(fù)極片記為5；

將鋰離子電池負(fù)極片1～5分別與正極片-鋰片在充滿氬氣的手套箱中分別組裝，得到CR2025型扣式電池1～5。使用的電解液以LiPF₆為溶質(zhì)，以體積比為1:1:1的碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)及碳酸甲乙酯(EMC)為溶劑，使用的隔膜為Celgard 2300。

對(duì)組裝的紐扣電池進(jìn)行測(cè)試，采用電池系統(tǒng)分別測(cè)試電池1～5在恒電流及不同倍率下的充放電循環(huán)性能，充、放電電壓范圍為0.01～3.0V。

電池1的恒電流(100mA/g)充放電循環(huán)性能及庫(kù)倫效率如圖5所示，第一圈放電比容量為2610.5mAh/g，第一圈充電比容量為1422.7mAh/g，庫(kù)倫效率54.5％。循環(huán)200圈后，放電比容量仍有729.3mAh/g，穩(wěn)定后的庫(kù)倫效率保持在98％以上。說(shuō)明實(shí)施例1制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料組裝的鋰電池具有較大的比容量和較好的循環(huán)穩(wěn)定性。

電池1在不同倍率下的充放電循環(huán)性能如圖6所示，在0.1A/g、0.2A/g、0.5A/g、1A/g、2A/g、3A/g的電流密度下依次循環(huán)十圈，最后再回到0.1A/g。3A/g時(shí)比容量仍有218.2mAh/g，回到0.1A/g后，比容量又回到700mAh/g以上。

電池1、2的恒電流充放電循環(huán)性能的對(duì)比如圖7所示。由于硅包裹的碳纖維復(fù)合材料中碳的支持與緩沖作用，硅在循環(huán)過(guò)程中不易塌陷，材料不易粉碎脫落，所以具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性。從圖中可以看出，循環(huán)200圈以后，電池1的比容量仍有729.3mAh/g，而電池2的比容量已經(jīng)降至325mAh/g。

電池3的恒電流(100mA/g)充放電循環(huán)性能及庫(kù)倫效率如圖11所示，第一圈放電比容量為2133.5mAh/g，第一圈充電比容量為1104.3mAh/g，庫(kù)倫效率51.8％。循環(huán)180圈后，放電比容量仍有630.8mAh/g，穩(wěn)定后的庫(kù)倫效率保持在98％以上。說(shuō)明實(shí)施例2制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料組裝的鋰電池具有較大的比容量和較好的循環(huán)穩(wěn)定性。

電池3在不同倍率下的充放電循環(huán)性能如圖12所示，在0.1A/g、0.2A/g、0.5A/g、1A/g、2A/g、3A/g的電流密度下依次循環(huán)十圈，最后再回到0.1A/g電流密度下進(jìn)行充放電循環(huán)。從圖中可以觀察到隨著充放電電流密度的增大，電池的比容量逐漸減小，當(dāng)電流密度為3A/g時(shí)比容量為165.5mAh/g，回到0.1A/g后，比容量又回到590mAh/g以上，并且隨著循環(huán)次數(shù)進(jìn)行，比容量較穩(wěn)定。說(shuō)明該復(fù)合材料具有較好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

電池4的恒電流(100mA/g)充放電循環(huán)性能及庫(kù)倫效率如圖13所示，第一圈放電比容量為3009.3mAh/g，第一圈充電比容量為1505.2mAh/g，庫(kù)倫效率50.0％。循環(huán)200圈后，放電比容量仍有487.2mAh/g，穩(wěn)定后的庫(kù)倫效率保持在98％以上。實(shí)施例3制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料組裝的鋰電池在前80次循環(huán)中比容量有所衰減，經(jīng)過(guò)100次循環(huán)后，電池的比例容量較穩(wěn)定。

電池4在不同倍率下的充放電循環(huán)性能如圖14所示，在0.1A/g、0.2A/g、0.5A/g、1A/g、2A/g、3A/g的電流密度下依次循環(huán)十圈，最后再回到0.1A/g電流密度下進(jìn)行充放電循環(huán)。從圖中可以觀察到隨著充放電電流密度的增大，電池的比容量逐漸減小，當(dāng)電流密度為3A/g時(shí)比容量仍有234.9mAh/g，電流密度回到0.1A/g后，比容量又回到630mAh/g以上。說(shuō)明該復(fù)合材料具有較好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

電池5的恒電流(100mA/g)充放電循環(huán)性能及庫(kù)倫效率如圖15所示，第一圈放電比容量為2508.1mAh/g，第一圈充電比容量為1545.3mAh/g，庫(kù)倫效率61.6％。循環(huán)165圈后，放電比容量仍有635.7mAh/g，穩(wěn)定后的庫(kù)倫效率保持在98％以上。實(shí)施例4制備的硅包裹的碳纖維復(fù)合材料組裝的鋰電池在前80次循環(huán)中比容量衰減較快，但經(jīng)過(guò)100次循環(huán)后，電池的比例容量較穩(wěn)定。

電池5在不同倍率下的充放電循環(huán)性能如圖16所示，在0.1A/g、0.2A/g、0.5A/g、1A/g、2A/g、3A/g的電流密度下依次循環(huán)十圈，最后再回到0.1A/g電流密度下進(jìn)行充放電循環(huán)。從圖中可以觀察到隨著充放電電流密度的增大，電池的比容量逐漸減小，當(dāng)電流密度為3A/g時(shí)比容量為155.8mAh/g，回到0.1A/g后，比容量又回到680mAh/g，隨著循環(huán)進(jìn)行電池比容量有所衰減，100次循環(huán)后，比容量為520mAh/g。