聚苯胺包覆改性硅纳米粒子的制备及其电化学性能研究

发布时间：2020-05-07 23:38

【摘要】：锂离子电池(LIBs)对便携式电子设备、新能源汽车等设备具有重要的意义,对于高性能、安全且低成本LIBs的需求日益增长。为了满足这些要求,需要结构新颖、性能优异的负极材料。商用碳材料容量低、放电平台低,因此难以满足新型LIBs对于负极容量和安全性的要求。硅(Si)作为LIBs负极材料具有容量高(~4200 mAh·g~(-1))、成本低、放电平台合适等优点,是一种有潜力的高性能负极材料。但Si在循环过程中会出现巨大的体积变化造成电极结构破坏,导致循环稳定性差,限制了其工业化发展。本文针对Si电极体积变化大这一特性,采用导电聚合物包覆的方式改善其电化学性能。本文采用直流电弧等离子法制备Si纳米粒子(NPs),使用对氨基苯甲酸(ABA)对其进行表面改性,之后使用原位聚合的方式将聚苯胺(PANi)引入体系形成聚苯胺-Si纳米粒子复合材料(PANi-Si NPs)。采用XRD、TEM、FTIR等方式对其进行结构表征。结果表明:通过使用ABA对Si NPs进行表面改性的方式在Si NPs表面引入苯胺(ANi)基团并参与后续的原位聚合,使PANi-Si NPs之间形成紧密的化学键连接,复合粒子中PANi质量含量约为62%。电化学性能测试表明,PANi的存在大幅提高了Si NPs的循环稳定性能,在100 mA·g~(-1)的电流密度下循环100次后,电池容量保持率为92.5%。为了验证PANi含量对PANi-Si NPs电化学性能的影响,本文合成了PANi含量为27 wt.%、62 wt.%和72 wt.%的PANi-Si NPs样品,采用XRD的手段表征不同含量的PANi对复合材料结构以及电化学性能的影响。实验结果表明:当PANi含量过低时,PANi包覆层较薄且难以包覆全部Si NPs,导致电池电化学稳定性较差;当PANi含量过高时,PANi包覆层较厚且粒子之间充满离子绝缘的PANi,Si NPs难以和电解质接触导致电池容量较低;PANi含量为62 wt.%的样品Si NPs表面包覆层厚度合适且粒子间有适量PANi作为Si NPs体积变化的缓冲层,具有最佳的电化学性能。为了进一步提高Si NPs在PANi-Si NPs复合材料中的利用率,本文设计了通过使用葡萄糖作为交联剂的交联状3D PANi纳米线结构(PNW-Si NPs)。使用XRD、SEM、FTIR、TGA表征PNW-Si NPs的微观结构。实验结果表明:反应成功合成了设计的微观结构,PANi纳米线直径为20~30nm长度为200~300nm呈交联状,同时Si NPs分布在3D PNW中间形成分级结构,PANi含量为65 wt.%。PNW-Si NPs的稳定可逆容量为779.5mAh·g~(-1),100 mA·g~(-1)循环300次后容量保持率为75%。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TM912

【参考文献】