硅纳米结构的制备及其在锂离子电池中的应用研究

发布时间：2018-03-21 01:00

  本文选题：硅纳米线　切入点：锂离子电池　出处：《浙江大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着智能电子设备和电动车辆的迅速普及,对于拥有更高能量密度的锂离子电池(LIB)的需求迅速增长。硅是一种极具潜力的新型负极材料,理论比容量高达4200mAh g-1,而且其工作电压也很低( 0. 5 V vs. Li/Li+)。但是硅在锂离子嵌入过程中,会发生超过300%的体积膨胀,多次循环后会导致电极粉末化和容量的迅速损失。采用硅纳米结构作为电池负极材料是一种能有效提升硅基负极循环稳定性能的方法,因为纳米级的尺寸可以减小系统的整体应力和电荷传输路径,而纳米结构中的常见的空隙可以容纳嵌锂时的体积膨胀。但目前硅基负极的研究还存在着制备成本较高和循环稳定性较差等问题。因此在本文中,我们主要围绕着硅纳米结构的制备及其在锂离子电池方面的应用研究展开工作,具有包括以下内容。(1)通过化学气相沉积法(CVD)在硅衬底上生长取向性良好的硅纳米线阵列。系统研究了实验参数对硅纳米线阵列形貌的影响。实验结果表明在较低的生长温度下(455-500℃)或在较高的SiH4流量下,硅纳米线的生长速率更快,并且更容易得到较小直径的硅纳米线;催化剂金厚度不超过5nm时,薄膜厚度对硅纳米线长度和直径都不会有太大的影响,但是与硅纳米线密度成正相关关系。(2)通过两步CVD方法制备碳化硅(SiC) /硅(Si)核壳纳米线/碳纤维纸复合结构,并直接用其作为电池电极,无需额外的粘结剂或导电剂。这种复合电极结构拥有很高的比表面积和较短的电子收集路径,并且提高了单位面积活性物质质量。在恒流充放电速率为0. 1C和0. 5C的条件下,经过50次循环,样品的放电比容量保持为2837和1809mAh g-1。通过对循环后SiC/Si核壳纳米线的SEM和TEM形貌表征,证明了 SiC纳米线的存在提高了硅基负极的循环稳定性。最后,通过优化Si沉积时间和SiC纳米线生长条件等参数,可进一步提升电池性能。(3)通过两步CVD法,使用氧化锌纳米线阵列作为牺牲模板,制备了碳包裹的硅纳米管阵列/碳纤维布复合结构,并直接用其作为锂离子电池电极,无需额外的粘结剂和导电剂。三维的碳纤维布结构提供了超高的比表面积和较短的电子收集距离,硅纳米管的中空结构为嵌锂时的体积膨胀提供了容纳空间,最后外层包裹的碳膜不仅提升了电极整体的导电性,还起到了稳定固体电解质界面膜的作用。经过100次循环,碳包裹的硅纳米管阵列/碳纤维布电极的容量仍然高达2198mAh g-1,并且展现出了良好的倍率性能。在此基础上进一步优化了制备条件,通过减小硅层厚度进一步提高电池的循环稳定性。本文研究表明,硅纳米材料/碳纤维编制物复合结构能够有效地提升硅基负极的循环稳定性。碳纤维编织物因其高柔韧性、高导电性、高化学稳定性和高比表面积等优点,是一种理想的电化学衬底材料,因此这种复合结构在柔性固态锂离子电池和可穿戴储能设备方面也有很好的应用前景。
[Abstract]:With the rapid spread of smart electronic devices and electric vehicles, the demand for lithium-ion batteries with higher energy density has increased rapidly. The theoretical specific capacity is as high as 4200mAh g-1, and the working voltage is very low (0.5 V vs. Li/Li). However, the volume expansion of silicon in the process of lithium ion intercalation will occur more than 300%. After repeated cycles, the electrode powder and capacity will be rapidly lost. It is an effective method to improve the stability of silicon based negative electrode cycle by using silicon nanostructure as the anode material of the battery. Because nanoscale sizes can reduce the overall stress and charge transfer path of the system, The common voids in nanostructures can accommodate the volume expansion of lithium intercalation. However, there are still some problems in the study of silicon-based negative electrodes, such as high cost of preparation and poor cycle stability. We focus on the preparation of silicon nanostructures and their applications in lithium-ion batteries. A silicon nanowire array with good orientation was grown on silicon substrate by chemical vapor deposition (CVD). The effects of experimental parameters on the morphology of silicon nanowire array were systematically studied. The experimental results show that the morphology of silicon nanowire array is low. At 455-500 鈩，

本文编号：1641566