锂离子电池硅_碳复合负极材料的研究进展_张瑛洁
锂离子电池硅碳复合负极材料的研究现状

后续热处理,制得 GSiWh 复合材料。 石墨具有很高的振实密
度、导电性和机械强度,小麦衍生的无定形碳改善了硅与石
墨之间的物理和电相互作用。 在 200 kV 加速电压下的透射
电子显微镜( TEM) 和高角环形暗场像( HAAD) 分析证实,与
相沉积法、溶胶-凝胶法、基质诱导凝固法、热解法、原位聚合
法和喷雾干燥法等。 这些技术制备的碳层可以缓冲硅的体
积膨胀,且无定型碳包覆层具有较大的比表面积,能在电极
与电解液之间提供更大的接触面积,加速 Li 的传输
+
Q. Xu 等
[11]
[10]
。
受西瓜形貌的启发,通过喷雾干燥和化学气
相沉积法( CVD) 工艺,合成 Si / C 复合材料。 首先,将硅纳米
颗粒( SiNPs) 与聚乙烯吡咯烷酮( PVP) 、葡萄糖和羧甲基纤
维素( CMC) 水溶液混合,超声波处理 2 h;再与片状石墨球磨
系人;
丰小华(1995-) ,男,山西人,郑州轻工业大学材料与化学工程学院硕士生,研究方向:化学电源材料;
张林森(1979-) ,男,河南人,郑州轻工业大学材料与化学工程学院教授,研究方向:化学电源材料;
陈 冰(2000-) ,女,河南人,郑州轻工业大学材料与化学工程学院本科生,研究方向:新能源材料与器件。
( School of Material and Chemical Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou,Henan 450002,China )
Abstract: Research progress in preparation method, structural characteristics and lithium storage performance was reviewed for
锂离子电池负极硅碳复合材料的研究进展

锂离子电池负极硅碳复合材料的研究进展鲁豪祺;林少雄;陈伟伦;刘巧云;罗昱;张五星【期刊名称】《储能科学与技术》【年(卷),期】2018(007)004【摘要】硅基负极材料具有比容量高、电压平台低、环境友好、资源丰富等优点,有望替代石墨负极应用于下一代高比能锂离子电池.但是硅的导电性较差,且在充放电过程中存在巨大的体积效应,极易导致电极极化、材料粉化、SEI膜重构、库仑效率低和容量持续衰减.硅和碳复合能很好地综合两者的优势,形成结构稳定、循环性好及容量高的负极材料.本文从不同维度的硅(SiNPs、SiNTs/ SiNWs、SiNFs、Bulk Si)与碳复合这一角度,综述了硅碳复合材料在结构设计、制备工艺、电化学性能等方面的最新研究进展,并对未来的硅碳复合材料的研究工作进行了展望.【总页数】12页(P595-606)【作者】鲁豪祺;林少雄;陈伟伦;刘巧云;罗昱;张五星【作者单位】华中科技大学材料科学与工程学院,湖北武汉 430074;国轩高科股份有限公司工程研究总院,安徽合肥 230011;华中科技大学材料科学与工程学院,湖北武汉 430074;华中科技大学材料科学与工程学院,湖北武汉 430074;华中科技大学材料科学与工程学院,湖北武汉 430074;华中科技大学材料科学与工程学院,湖北武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TM911【相关文献】1.锂离子电池负极硅/碳复合材料的制备及其性能研究 [J], 魏来;刘开宇;李艳;吕美玉;钟剑剑2.硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料研究进展 [J], 瞿诗鹏3.锂离子电池中硅负极材料的研究进展 [J], 佟小萌4.锂离子电池硅负极材料的改性研究进展 [J], 杜子胜;王江林;任晴晴5.基于中空核壳结构的锂离子电池硅碳负极材料研究进展 [J], 陈鑫洪;张雪茹;张勇;吴玉程因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
硅-碳复合材料的制备及其在锂离子电池中的应用研究

硅-碳复合材料的制备及其在锂离子电池中的应用研究硅/碳复合材料的制备及其在锂离子电池中的应用研究摘要:锂离子电池作为一种高效、轻型、高能量密度的储能装置,日益广泛应用于移动通讯、电动车辆等领域。
然而,锂离子电池中负极材料的性能仍然限制了其长期使用。
硅材料作为一种有望替代传统石墨材料的负极材料,其高电容量和较负石墨的更高充放电速率,使其成为研究的热点。
然而,硅的容量膨胀和体积变化问题严重影响了其在锂离子电池中的应用。
为了解决这一问题,许多研究人员开始制备硅/碳复合材料,并将其应用于锂离子电池中。
1. 硅/碳复合材料的制备方法1.1 化学还原法1.2 电化学沉积法1.3 气相沉积法1.4 溶胶-凝胶法2. 硅/碳复合材料的结构特性2.1 硅纳米颗粒尺寸和形貌2.2 碳包覆层的厚度和均匀性2.3 硅/碳复合材料的晶体结构3. 硅/碳复合材料在锂离子电池中的应用3.1 提高电容量3.2 改善循环稳定性3.3 提高倍率性能3.4 减少体积膨胀4. 硅/碳复合材料的制备及应用研究进展4.1 硅/碳复合材料在锂离子电池中的性能优化4.2 硅/碳复合材料的应用前景展望总结:硅/碳复合材料作为一种有潜力的负极材料,具有高电容量、较好的循环稳定性和倍率性能,以及减少体积膨胀的优势。
通过不同的制备方法,可以得到具有不同结构特性的硅/碳复合材料。
未来的研究应集中在进一步提高硅/碳复合材料的容量和稳定性,提高其循环寿命和倍率性能,以实现其在锂离子电池中的更广泛应用硅/碳复合材料作为一种有潜力的负极材料,在解决硅的容量膨胀和体积变化问题上取得了显著进展。
不同制备方法可以得到具有不同结构特性的硅/碳复合材料,这些特性包括硅纳米颗粒尺寸和形貌、碳包覆层的厚度和均匀性以及硅/碳复合材料的晶体结构等。
在锂离子电池中的应用中,硅/碳复合材料能够提高电容量并改善循环稳定性、倍率性能以及减少体积膨胀。
未来的研究应集中在进一步提高硅/碳复合材料的容量和稳定性,提高其循环寿命和倍率性能,以实现其在锂离子电池中的更广泛应用。
锂离子电池碳负极材料研究进展

第 2期
有 色 金 属
No f Io s M e as nern ti
Vo . 3 .N . 16 O 2
M a 2 0 1 v 1
2 0 1 年 5 月 1
DOI 1 . 9 9 j i n 1 0 :0 3 6 / .s . 0 1—0 1 . 0 1 0 . 3 s 2 12 1. 2 0 5
下 优 点 : 容 量 高 ( 0 ~4 0 比 20 0 mAh g 电 极 电 位 低 / ),
1 中 间相 碳 微 球
虽 然 中间相 碳 微 球 的 制备 和应 用 开 始 于 2 0世
纪 6 7 0~ 0年 代 , 但直 到 2 O世纪 9 0年 代才 有 在锂 离
子 电池 中应 用 的 文 献 报 道 。 19 9 2年 Y mar 等 a uaJ
关 键 词 : 机 非 金 属 材 料 ; 离 子 电池 ; 述 ; 无 锂 综 负极 材 料 ; 然 石 墨 表 面 改性 天
中 图 分 类 号 : M 1 . 文 献 标 识码 : 文 章 编 号 : 0 — 2 1 2 1 )2 04 0 9 13 F A 1 1 0 1 (0 1 0 —Байду номын сангаас17— 5 0
锂 离 子 电池 碳 负 极 材 料 研 究 进 展
孙 学 亮 , 秀娟 , 秦 卜立敏 , 吴 伟
( 山大 学 环境 与化 学 工程 学 院 , 燕 河北 秦 皇 岛 0 6 0 ) 6 0 4
摘 要 : 综述锂离子电池碳负极材料的研究进展 , 主要包括 中间相碳 微球 、 天然石 墨、 无定形 碳负极材料 以及 天然石墨 表面
(<1 0 S i/ i , . V V L ) 循环 效 率 高 (>9 % ) 循 环 寿 L 5 ,
锂离子电池硅碳复合负极材料研究进展

锂离子电池硅碳复合负极材料研究进展曹志颖;孙红亮;杨亚洲;孙俊才【摘要】Si/C composites which have high capacity and low discharge potential have been investigated as possible substitute for the commercial graphite or carbon anode.Recent years,Si/C composites materials as anodes for lithium-ion batteries were focused by manyresearchers.Different methods and materials have significant impact on the properties of Si/C composites.The recent progress of Si/C composites materials was summarized according to the classification of carbon materials.Furthermore,this paper discussed the rasearch trend of Si/C composites as anodes for lithium-ion batteries.%硅碳负极材料具有最高的储锂容量和较低的电压平台,有望成为替代商业化石墨或碳负极的材料.关于硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料的研究是近年来该领域的研究热点.不同的实验方法和原料都会对复合材料的性能产生重要的影响.按碳材料的分类综述了近几年关于硅碳复合材料的研究进展,并重点介绍了材料的制备方法及其优缺点.此外,还初步讨论了硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料的研究趋势.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2018(042)005【总页数】3页(P722-724)【关键词】锂离子电池;负极材料;硅碳复合材料;缓冲基体【作者】曹志颖;孙红亮;杨亚洲;孙俊才【作者单位】大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院,辽宁大连116026;大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院,辽宁大连116026;大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院,辽宁大连116026;大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院,辽宁大连116026【正文语种】中文【中图分类】TM912.9随着环境问题的日益严重、化石能源的衰竭及各种便携电子产品和电动汽车的广泛应用和迅速发展,对化学能源的需求及性能要求也在不断提高。
一种锂离子电池碳负极材料的制备方法[发明专利]
![一种锂离子电池碳负极材料的制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/13d82e80011ca300a7c390d7.png)
专利名称:一种锂离子电池碳负极材料的制备方法专利类型:发明专利
发明人:张玲洁,王小琳
申请号:CN202011288503.5
申请日:20201117
公开号:CN112537765A
公开日:
20210323
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明涉及电池负极材料制备,旨在提供一种锂离子电池碳负极材料的制备方法。
具体包括:将新鲜花生壳冷冻干燥,得到干燥花生壳;在200℃的液体石蜡中浸渍,取出后甩干,得到初步重构的花生壳;在100℃蓖麻油酸中浸渍,取出甩干;然后浸入双氧水溶液中水热处理,得到第二次重构的花生壳;研磨后与三氟苯磺酸钠混合均匀;将混合物在氮气保护下灼烧;冷却至室温后,得到锂离子电池碳负极材料。
本发明所得负极材料具有高的充放电循环稳定性,是一种来源广泛且成本较低的碳负极材料。
制备的碳负极材料的充放电次数可达到10000次以上,同时也开拓了新的锂离子电池制备工艺。
申请人:浙江大学自贡创新中心
地址:643000 四川省自贡市高新工业园区金川路69号
国籍:CN
代理机构:杭州中成专利事务所有限公司
代理人:周世骏
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锂离子电池中高容量硅铝_碳复合负极材料的制备与性能研究

,
、
循 环 性能 差 等 问 题
2
本
文 采 用 高 温 固 相 法制 备 了硅铝 ; 碳铿 离 子 电 池 负 的 比 容 量 远 高
,
于 目 前 铿 离 子 电池 普 遍 使 用 的 中 间相碳微 球 循 环 寿 命则 优 于 同粒度 的 硅 单体 为活性 中 心 的 硅
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2
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材 料 的 研 究 十分 活 跃 受瞩 目
,
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5 单 质 硅 因具 有 很 高 的储铿 容量 8 Χ
高容量硅/碳复合材料在锂离子电池负极中的研究

高容量硅/碳复合材料在锂离子电池负极中的研究【摘要】锂离子电池正得到越来越广泛的应用,已成为21世纪极具发展潜力的新型化学电源。
目前,锂离子电池广泛采用的石墨类碳负极材料的理论储锂容量较低(石墨为372mAh/g),因此开发新型高性能负极材料已成为当前的研究热点。
本文采用高比容量的硅为主要活性体,采用体积效应小、循环稳定性好的碳为载体,通过高温热解以及水热等方法制备了新型的硅/碳复合材料,并对其电化学性能进行了研究。
复合材料电极电化学测试显示,循环30次其可逆容量仍保持在600mAh/g以上。
优异的电化学性能主要归因于纳米硅颗粒处于无定形碳基体中对其体积变化具有良好的缓冲作用及纳米硅周围的石墨类碳相对于导电性的改善。
【关键词】锂离子电池;负极材料;硅/碳复合材料;高温热解;水热当今社会,信息、能源和新材料在全球范围内成为重要的发展方向和支柱产业。
在社会不断进步的同时,能源和环境问题已成为可持续发展的关键。
伴随着全球逐渐减少的不可再生能源和日益严峻的环境问题,新能源的开发和应用刻不容缓。
化学电源具有能量转换效率高、能量密度高、无噪声污染、可随意组合,随意移动等特点[1-3]。
随着电子和信息产业的快速发展,移动通讯、数字处理机、便携式计算机得到了广泛应用,空间技术的发展和国防装备的需求以及电动汽车的研制和开发对化学电源特别是高能二次电池的需求迅速增长[4-11]。
目前使用的二次电池主要有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。
由于锂离子电池具有开路电压高、能量密度大、使用寿命长、无记忆效应、无污染以及自放电率小等优点[12,13],其应用越来越广泛。
锂离子电池负极材料方面,石墨类碳材料由于其良好的循环稳定性,理想的充放电平台和目前最高的性价比,仍是未来一段时间内锂离子电池的首选负极材料。
但是碳材料的充放电比容量较低,体积比容量更是没有优势,难以满足电动车及混合电动车对电池高容量化的要求。
因此开发具有高比容量、高充放电效率、长循环寿命的新型锂离子电池负极材料极具迫切性。
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第34卷第4期硅酸盐通报Vol.34No.42015年4月BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY April ,2015锂离子电池硅/碳复合负极材料的研究进展张瑛洁,刘洪兵(东北电力大学化学工程学院,吉林132012)摘要:负极材料是制约锂离子电池发展的重要因素之一。
硅/碳复合材料储锂容量高、循环稳定性好,是目前制备新型锂离子电池负极材料的研究热点。
介绍了硅/碳复合材料的不同制备方法和复合结构以及优良的电化学性能,综述了硅/碳复合材料的研究进展,并对未来的发展方向进行了展望。
关键词:锂离子电池;硅/碳复合材料;制备方法;复合结构;电化学性能中图分类号:TQ152文献标识码:A 文章编号:1001-1625(2015)04-0989-06Research Progress on Si /C Composite AnodeMaterials for Lithium-ion BatteryZHANG Ying-jie ,LIU Hong-bing(School of Chemical Engineering ,Northeast Dianli University ,Jilin 132012,China )Abstract :Anode materials is a major factor that restricts the development of lithium-ion batteries.Si /Ccomposite materials ,which possesses high capacity and cycling stability ,becomes the hot spot topreparation of new type lithium-ion battery anode materials at present.Different preparation methods ofSi /C composite materials ,composite structures ,and excellent electrochemical performance wereintroduced.And the research progress of Si /C composites was summarized.Subsequently ,the futuredevelopment direction of Si /C composite materials was prospected as well.Key words :lithium ion battery ;Si /C composite materials ;preparation method ;complex structure ;electrochemical performance基金项目:吉林省科技厅产业技术创新战略联盟项目(20130305017GX );吉林省教育厅吉教科合字[2014]第103号作者简介:张瑛洁(1969-),女,教授,博士.主要从事水的深度处理方面的研究.1引言负极材料储锂容量是制约锂离子电池应用范围的关键因素,硅/碳复合材料作为一类应用潜力巨大的负极材料,成为近年来研究的热点。
碳与硅相近似的化学性质,为两者的紧密结合提供了理论依据,所以碳常用作与硅复合的首选基质。
硅通常与石墨、石墨烯、无定型碳和碳纳米管等不同的碳基质制备复合材料,在硅碳复合的体系中硅主要作为活性物质,提供容量[1-3];碳材料一般作为分散基质,限制硅颗粒的体积变化,并作为导电网络维持电极内部良好的电接触[4-6]。
理论上,硅/碳复合材料储锂容量高,导电性能好,但要成为可商用的锂离子电池负极材料,面临着两个基本的挑战:循环稳定性差和可逆循环容量保持率低。
不同的制备方法以及复合结构都会对复合材料的电化学性能产生影响,开发强附着性、紧密电接触、耐用的新型硅碳复合材料,对促进硅/碳复合材料实际应用的进程具有重大意义。
本文着重从制备方法、复合结构及电化学性能等方面综述了硅/碳复合材料近年来的研究进展,以期对后续的研究人员的相关实验提供理论依据。
DOI:10.16552/ki.issn1001-1625.2015.04.018990综合评述硅酸盐通报第34卷2硅/碳复合负极材料的制备目前,为了能够充分发掘硅/碳复合材料的优越性能,促进其更快、更好的应用到实际生产中去,国内外诸多科学家致力于该复合材料的基础研究,相关合成方法日趋成熟,其中最常用的合成方法有:化学气相沉积法、溶胶凝胶法、高温热解法、机械球磨法和水热合成法。
2.1化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD)在制备硅/碳复合材料时,以SiH4[7]、纳米硅粉[8]、SBA-15[9]和硅藻土[10]等硅单质或含硅化合物为硅源,碳或者有机物为碳源,以其中一种组分为基体,将另一组分均匀沉积在基体表面得到复合材料。
用此法制备的复合材料,硅碳两组分间连接紧密、结合力强,充放电过程中活性物质不易脱落,具有优良的循环稳定性和更高的首次库伦效率,碳层均匀稳定、不易出现团聚现象;对于工业化来说,设备简单,复合材料杂质少,反应过程环境友好[11,12],最有希望大规模生产,而备受科学工作者的青睐。
Yoshio等[13]以苯和微米级的硅颗粒为原料,利用CVD制备核壳结构的硅碳纳米复合材料,在1000ħ下苯分解生成碳沉积在硅颗粒表面,制备生成厚度为5μm左右的无定型碳壳包裹在硅颗粒表面,可逆比容量高达800mAh/g,50次循环之内循环效率几乎可达100%,沉积得到的良好的无定型碳层抑制硅颗粒表面电解质的分解,并且为硅颗粒表面提供完整连续的电触点,使材料具有优异的循环性能。
朱小奕等[14]以二甲基二氯硅烷和甲苯为硅源和碳源,在900ħ下沉积5h得到一维硅碳微米线,由于纳米纤维材料的强度和韧性更高、结构稳定性容易维持,所以性能整体高于球形硅碳复合材料,制备的复合材料的首次充电比容量为747.7mAh/g,经过20周之后比容量为660.8mAh/g,容量持有率高达88.4%。
由于CVD法在实际操作时工艺条件不易控制,产物产量少,想要大规模工业化生产还需一定的努力。
2.2溶胶凝胶法液态复合的方法可以很好的改善材料在复合过程中的分散问题,溶胶凝胶法[15,16]制备的硅/碳复合材料中硅材料能够实现均匀分散,而且制备的复合材料保持了较高的可逆比容量、循环性能。
但是,碳凝胶较其它碳材料稳定性能差,在循环过程中碳壳会产生裂痕并逐渐扩大,导致负极结构破裂[17],降低使用性能;且凝胶中氧含量过高会生成较多不导电的SiO2,导致负极材料循环性能降低[18],所以含氧量是决定何种凝胶作为基体的重要参考条件。
Wang等[19]将硅颗粒分散于碳凝胶中,制备得到具有三维碳网络结构特征的硅/碳纳米复合材料,第2次循环以后的可逆容量损失很小,50次循环之后的比容量仍可高达1450mAh/g,这种优异的循环性得益于碳的三维网络结构和硅颗粒的均匀分散。
Xin等[20]利用正硅酸四乙酯为硅源,通过改性溶胶凝胶法结合镁热还原法等方法,制备得到具有3D构架的硅/石墨烯纳米复合材料,在高达10A/g的锂离子传导速率下,100次循环后,仍能维持高达290mA/g的储锂容量。
2.3高温热解法高温热解法[21,22]是目前制备硅/碳复合材料最常用的方法,工艺简单容易操作,只需将原料置于惰性气氛下高温裂解即可,而且易重复,在热解过程中有机物经裂解得到无定型碳,这种碳的空隙结构一般都比较发达,能更好的缓解硅在充放电过程中的体积变化。
Tao等[23]以SiCl4为原料,采用金属镁热还原方法得到多孔硅,再在惰性气氛下,通过高温热解法进行有机碳的包覆,制备出了多孔硅/碳复合材料,该材料充放电性能十分优异,可直接用作锂离子电池的负极材料,首次放电比容量达1245mAh/g,循环30次后的比容量达1230mAh/g。
但是,高温热解法产生的复合材料中的硅的分散性较差,碳层会有分布不均的状况,并且颗粒易团聚等缺点还未得到有效的解决。
2.4机械球磨法机械球磨法[24,25]制备的复合材料颗粒粒度小、各组分分布均匀,而且机械球磨法制备硅/碳复合材料具有工艺简单、成本低、效率高,以及适合工业生产等优势;由于该法是两种反应物质在机械力的作用下混合,第4期张瑛洁等:锂离子电池硅/碳复合负极材料的研究进展991所以一直没有有效解决颗粒的团聚现象,再者,大多数制备过程还要联合高温热解也是制约机械球磨法实际应用的主要原因。
Lee等[26]制备了一种球状的硅/石墨/热解碳纳米复合材料,将硅粉、石墨与石油沥青粉末混合后球磨,然后在氩气气氛下在1000ħ下进行热处理,该复合材料的比容量约为700mAh/g,而且首次不可逆损失很小。
2.5水热合成法水热合成法[27]一般采用小分子有机物为碳源,将其与硅粉在溶液中超声分散均匀后,在密封的高压反应釜中进行水热反应,再在高温下碳化即制得硅/碳复合材料。
水热合成法的操作简便,产物纯度高,分散性好、粒度易控制;但是该法耗能高、产量低,不适合批量生产。
孙鹏[28]以蔗糖为碳源,通过水热合成法制备了硅/碳复合材料,研究发现,硅含量越低的复合材料的稳定性越好。
3硅/碳复合负极材料的结构及电化学性能包覆型硅/碳复合材料的表面碳层主要是无定型碳,嵌入型的碳基质主要为无定型碳、石墨和石墨烯等,硅与碳纳米管的复合以及硅与碳三元复合的掺杂型复合结构也成为近年来的研究热点,不同组成结构对电化学性能会有一定的影响。
3.1包覆型复合材料包覆型硅/碳复合材料的优点在于硅含量高,有助于其储锂容量的提高。
表面良好的包覆碳层可以有效的缓冲硅的体积效应,增强电子电导,同时产生稳定的SEI膜[29],稳定复合材料与电解液的界面。
传统核壳结构的硅碳复合材料在嵌锂过程中,硅剧烈的体积应力作用导致表面碳层发生破裂,复合材料结构坍塌、循环稳定性迅速下降[30],通常有3种解决方法来提高其循环稳定性:改善碳层的微观结构[31]、将硅改性为纳米多孔结构然后进行碳层包覆[32,33]和制备纳米纤维型硅/碳复合材料[34]。
Gao等[31]通原位聚合与热解制备了核壳型硅碳复合材料,其中,碳包覆层具有完整的微孔,该复合材料在经过40次循环后仍具有1200mAh/g以上的可逆容量,容量保持率为95.6%,循环性能优良,这主要是由于具有微孔结构的碳包覆层有效地缓解了复合材料在充放电过程中的体积效应。
于晓磊等[32,33]利用CVD法在莲藕状多孔硅表面沉积一层约6nm厚的无定型碳层,制备得到LRP-Si/C复合材料,电极表现出2089.1 mAh/g的初始可逆容量,在70次循环后可逆容量为1633.1mAh/g,容量保持率高达84%。