光伏产业高纯切割硅废料作为高性能锂离子电池负极的应用基础研究

发布时间：2017-06-19 01:11

  本文关键词：光伏产业高纯切割硅废料作为高性能锂离子电池负极的应用基础研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：硅具有高的理论储锂比容量(4200mAhg~(-1))、较低的工作电位平台、储量丰富和环境友好等优点,有望替代商业化石墨成为锂离子电池的新型负极材料。然而,硅在充/放电循环过程中存在剧烈的体积效应,容易导致颗粒机械粉化/破碎、固体电解质界面(SEI)膜动态重构以及电极内部导电环境丧失。针对上述瓶颈问题,人们通过对材料进行纳米化如制备硅纳米球、硅纳米线、硅纳米管、硅纳米中空球、硅纳米多孔结构,以及构筑“yolk-shell”特殊构型的Si@void@C复合材料等多种优化途径,使硅基负极的电化学循环稳定性得到很大的提升。然而,上述改性方法需要比较复杂的工艺步骤和专门设备(如化学气相沉积系统等),产量较低且成本高,难以实现硅基负极材料的商业化规模应用。可见,要实现硅基负极材料的实际应用,必须从两个方面同时入手进行解决:1)解决硅材料的高质、高效制备技术,规模化批量制备微/纳米硅材料;2)针对规模化制备得到的硅材料进行合理纯化和表面改性,并对电化学性能进行系统优化。根据上述考虑,本论文以学科交叉视角入手,选择光伏产业晶体硅金刚线切割高纯废料作为廉价硅源。近年来,光伏产业进入了快速发展期,全球单晶硅年产量已超过10万吨。而制备太阳能电池时,通常需要将高纯硅锭切割成单元硅片。在切割过程中,根据理论计算将有44%的晶体硅被切磨为高纯硅(99.9999%纯度)“锯屑”进入到切割浆料中,而在实际加工过程中则有高达50%-55%的晶体硅以亚微米级硅粉的形式损失,这意味着每年光伏产业将有超过5万吨硅废料产生。显然,若能将光伏产业硅废料成功应用于锂离子电池负极材料,必将带来巨大的经济和社会价值。因此,本论文的工作主要包括以下两个方面:(1)采用光伏产业高纯切割硅废料作为锂离子电池硅基负极的原材料,通过对切割硅废料进行清洗、纯化并对其进行有效的表面改性,使其表面羟基化并在表面形成一层均匀、致密、连续的Si Ox层;选择海藻酸钠作为粘结剂,通过表面富羟基化的硅颗粒与海藻酸钠中的羧基官能团形成作用力较强的氢键,使海藻酸钠牢牢地粘附在硅颗粒表面,增强粘结剂与硅表面之间的相互作用力,同时加强了导电剂与硅直接的紧密连接。在长期循环过程中,电极可承受住硅体积的反复膨胀/收缩,而不会形成导电网络的破坏,因此可以保持非常优异循环性能和倍率性能。经过200次循环,电极的可逆比容量仍保持有2815.5 mAhg~(-1),容量保持率高达93.7%。在1C、5C、10C和20C高倍率下的可逆比容量分别为2432、2276、1998和1561 mAhg~(-1),比容量保持率依次为77.5%、72.6%、63.7%和49.8%(相对于在0.05C倍率下的容量)。(2)采用不同含量的氧化后的切割硅废料与石墨在玛瑙研钵中研磨混合均匀,得到不同硅含量硅/石墨混合材料作为锂离子电池负极材料。目的是将石墨稳定的电化学性能与硅的高容量特点相结合:硅可以弥补石墨低能量密度的缺点;石墨作为支撑内核材料,可以缓冲硅颗粒的机械应力并提高硅材料的电子导电性,石墨颗粒之间的空隙也可进一步为硅的体积膨胀提供缓冲空间,从而提高材料的循环性能。经过150次充/放电循环后,硅含量为10%、20%、30%和40%的极片的可逆比容量分别为430.6、751.1、882.2和440.4 mAhg~(-1),相对于第30次充/放电循环的比容量(438.4、825.8、987和1119.6 mAhg~(-1)在相同电流密度下充/放电循环达到稳定状态下的比容量),容量保持率分别为98.22%、90.95%、89.38%和39.33%。可见,硅/石墨混合电极片中硅含量控制在30%以下时,均能保持稳定的长期循环性能。本论文工作具有明显的学科交叉特点,将光伏产业和锂离子电池两个领域结合在一起,既解决了光伏产业废料的后处理问题,同时实现了电池级硅材料的高质、高效制备,为未来锂离子电池用硅材料的规模化生产和商业化应用提供了一条崭新的技术路线。
【关键词】：锂离子电池 硅基负极材料 光伏产业切割硅废料 切割硅废料/石墨混合材料
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-42
• 1.1 引言12-13
• 1.2 锂离子电池概述13-17
• 1.2.1 锂离子电池发展现状13-14
• 1.2.2 锂离子电池特点14-15
• 1.2.3 锂离子电池工作原理15-17
• 1.3 锂离子电池负极材料发展现状17-21
• 1.3.1 层间插入式嵌锂负极材料17-18
• 1.3.2 金属氧化物类负极材料18-20
• 1.3.3 合金化嵌锂负极材料20-21
• 1.4 硅基负极材料的储锂机制、特点及面临的问题21-23
• 1.5 硅基负极材料性能优化方案23-32
• 1.5.1 硅材料的纳米化23-26
• 1.5.2 材料的复合化26-30
• 1.5.3 粘结剂和电解液的优化30-32
• 1.6 本论文的主要思路以及主要的工作内容32-35
• 参考文献35-42
• 第二章 实验方法及实验仪器与材料表征42-48
• 2.1 实验试剂和仪器42-44
• 2.2 材料表征44-46
• 2.2.1 X射线衍射分析（XRD）测试44
• 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）测试44-45
• 2.2.3 透射电子显微镜（TEM）测试45
• 2.2.4 热重/差热（TG/DTA）分析测试45
• 2.2.5 比表面分析（BET）测试45
• 2.2.6 X射线能量色散谱分析（EDS）测试45-46
• 2.3 电极片的制备和电池的组装46
• 2.3.1 电极片的制备过程46
• 2.3.2 扣式电池的组装46
• 2.4 电池的电化学性能测试46-48
• 2.4.1 电池充放电测试46-47
• 2.4.2 电池循环伏安（CV）测试47
• 2.4.3 电池电化学阻抗（EIS）测试47-48
• 第三章 光伏产业高纯硅废料作为高性能锂离子电池负极材料的性能研究48-75
• 3.1 引言48-49
• 3.2 实验部分49-52
• 3.2.1 光伏产业切割硅废料来源49-50
• 3.2.2 亚微米级硅片的纯化50-51
• 3.2.3 亚微米级硅片的表面改性51
• 3.2.4 材料电化学性能表征51-52
• 3.3 结果与讨论52-65
• 3.3.1 原始切割硅废料及纯化、改性后的相关表征分析52-57
• 3.3.2 纯化和表面改性后的切割硅废料的电化学性能比较57-65
• 3.4 本章小结65-67
• 参考文献67-75
• 第四章 光伏产业高纯硅废料与石墨混合作为锂离子电池负极材料的性能研究75-91
• 4.1 引言75-76
• 4.2 实验部分76-77
• 4.2.1 不同质量比硅/石墨混合材料极片的制备76
• 4.2.2 电化学性能表征76-77
• 4.3 结果与讨论77-85
• 4.3.1 切割硅废料/石墨混合负极的SEM分析77-78
• 4.3.2 切割硅废料/石墨混合材料的XRD分析78-79
• 4.3.3 切割硅废料/石墨混合负极的电化学性能测试79-85
• 4.4 本章小结85-87
• 参考文献87-91
• 第五章 总结与展望91-93
• 硕士期间发表的论文93-94
• 致谢94-95

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 赵健,杨维芝,赵佳明;锂离子电池的应用开发[J];电池工业;2000年01期

2 ;如何正确使用锂离子电池[J];电子科技;2000年09期

3 ;我国第一条现代化锂离子电池生产线在潍坊建成投产[J];电池工业;2001年01期

4 陈洪超;李相东;;锂离子电池原理、研究现状与应用前景[J];军事通信技术;2001年01期

5 ;新型锂离子电池[J];炭素技术;2002年03期

6 朱晓军;;全球最薄锂离子电池[J];家庭电子;2002年03期

7 启明;高容量锂离子电池负极[J];金属功能材料;2003年01期

8 杨捷;锂离子电池的特点与使用[J];现代电视技术;2003年05期

9 周园 ,韩金铎;锂离子电池:机遇与挑战共存——参加“锂离子电池与电动车”研讨会有感[J];盐湖研究;2003年02期

10 石保庆;锂离子电池的必测项目——电池平台[J];中国无线电管理;2003年01期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 许名飞;郭永兴;李新海;吴显明;;锂离子电池气胀问题探析[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年

2 王宏伟;邓爽;肖海清;王超;杨宗辉;施亚申;;锂离子电池误使用的安全检测与分析[A];2011年全国失效分析学术会议论文集[C];2011年

3 刘勇;盘毅;谢凯;芦伟;;锂离子电池的存储性能研究[A];第30届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2013年

4 张俊乾;;锂离子电池中的扩散应力和破坏[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

5 康慨;戴受惠;万玉华;王树安;;我国锂离子电池的研究与发展[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展（上册）[C];2001年

6 张千玉;马晓华;;二甲苯用作锂离子电池过充保护添加剂的研究[A];第二十八届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2009年

7 张千玉;马晓华;;新型锂离子电池过充保护添加剂的研究[A];第二十八届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2009年

8 朱静;于申军;陈志奎;何显能;周永超;李贺;;水分对锂离子电池性能的影响研究[A];第二十八届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2009年

9 崔少华;杨晓民;;圆型锂离子电池渗液不良分析[A];自主创新与持续增长第十一届中国科协年会论文集（2）[C];2009年

10 李琳琳;王斌;吴宇平;T.van Ree;;甲基苯基二-(甲氧二乙基)硅烷用作锂离子电池功能性添加剂的研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第7分册）[C];2010年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 李壮;新国标9月实施锂电池门槛加高[N];中国高新技术产业导报;2005年

2 刘碧玛;动力锂离子电池要抓住发展机遇[N];科技日报;2007年

3 记者　陈颖;深圳锂电产量已占全国六成[N];深圳特区报;2006年

4 实习记者 徐恒邋记者 诸玲珍;锂离子电池安全受关注 新材料研究是热点[N];中国电子报;2008年

5 徐恒 诸玲珍;锂离子电池安全备受关注[N];中国有色金属报;2008年

6 李燕京;锂离子电池国标年内将出台[N];中国消费者报;2008年

7 本报记者 冯健;动力锂离子电池：安全性制约应用[N];中国电子报;2009年

8 新材料在线首席研究员 李国强;锂离子电池产业:中日韩三分天下[N];中国电子报;2004年

9 金信;全国最大的锂离子电池生产基地在津建成[N];中国机电日报;2002年

10 黄新培;业内专家对生产企业提出三点建议[N];中国机电日报;2002年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 刘金龙;锂离子电池高性能富锂锰基正极材料的研究[D];复旦大学;2014年

2 刘玉荣;锰基混合型金属氧化物孪生微纳结构的制备、形成机理与储锂性能[D];山东大学;2015年

3 易金;锂离子电池钒基负极材料的研究[D];复旦大学;2014年

4 张千玉;绿色能源材料钛酸锂的改性及其回收再利用的研究[D];复旦大学;2014年

5 袁庆丰;锂离子电池硅基复合负极材料和电池安全性的研究[D];华南理工大学;2015年

6 明海;高容量或高倍率锂离子电池材料的合成与相应全电池的组装研究[D];苏州大学;2015年

7 杨智博;高性能锂离子电池硅/锗电极的设计与制备[D];兰州大学;2015年

8 董汉成;卫星电源电池健康状态诊断方法研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

9 张涛;废弃锂离子电池破碎及富钴产物浮选的基础研究[D];中国矿业大学;2015年

10 张立强;锂离子电池多物理模型参数辨识及健康特征提取[D];哈尔滨工业大学;2015年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 张涛;失效锂离子电池破碎特性研究[D];华东交通大学;2011年

2 马宇宏;锂离子电池热安全性研究[D];电子科技大学;2013年

3 王会军;过渡金属氧化物和过渡金属硫化物作为锂离子电池负极材料的研究[D];西南大学;2015年

4 任婉;锂离子电池镍—锰二元正极材料的研究[D];华南理工大学;2015年

5 李娟;锂离子电池负极材料Li_4Ti_5O_(12)的制备与研究[D];广东工业大学;2012年

6 玄哲文;微纳结构MnO_2及CuO的制备及作为锂离子电池负极的性能研究[D];云南民族大学;2015年

7 邢程程;原位生长FeS纳米结构薄膜及其在锂离子电池中的应用[D];浙江大学;2015年

8 白钢印;锂离子电池高电压正极材料镍猛酸锂的合成与改性研究[D];昆明理工大学;2015年

9 宋赢;锂离子电池二氧化钛负极材料掺杂改性及电化学行为研究[D];辽宁大学;2015年

10 安平;聚酰亚胺锂离子电池隔膜的制备及其性能研究[D];陕西科技大学;2015年

  本文关键词：光伏产业高纯切割硅废料作为高性能锂离子电池负极的应用基础研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：461247