高容量锂离子电池负极材料的制备及性能研究

发布时间：2018-05-07 20:38

本文选题：锂离子电池 + 多孔硅　；参考：《上海交通大学》2015年博士论文

【摘要】：锂离子电池具有能量密度高和自放电速率低等特点,已被广泛地应用在手机、笔记本电脑、数码相机等可携带的电子产品上。然而,它的能量密度仍不能满足新兴的电动交通工具的需求。作为锂电池的一个关键部分,电极材料决定着电化学性能。硅和锡具有理论储锂容量高、嵌锂平台低、环境友好等优点,被认为是取代商品化石墨负极的潜力物质。然而,硅和锡在锂化过程中产生巨大的体积膨胀,导致材料的粉化,使得容量快速衰减。此外,硅和锡的本征电导率和锂离子扩散速率低,这些缺点限制了它们的实际应用。本文通过合成纳米结构的硅、锡基复合材料来提高储锂性能,详细内容如下:(1)纳米银和石墨烯双重修饰多孔硅。通过镁热还原商品化MCM-41得到多孔硅,氢氟酸刻蚀后的硅表面疏水性,因此,很难通过传统的银镜反应将其表面包覆纳米银。我们通过硝酸银浸渍/热分解方法在硅表面修饰上了纳米银。最后,通过氧化石墨烯热还原得到纳米银-多孔硅/石墨烯复合材料。该复合材料显示了高的比容量,好的循环稳定性以及优越的倍率性能。优异的电化学属性归因于以下方面:硅的多孔结构不仅能缓冲锂化过程中产生的体积膨胀,而且有利于锂离子和电解液的传输。纳米银和石墨烯双重修饰不仅能增加硅表面的电导率,而且可以减少硅的表面与电解液直接接触。(2)聚吡咯包覆多孔硅纳米空心球。将St?ber法合成的二氧化硅球分散在水中“孵化”得到介孔二氧化硅纳米空心球,然后在氢氩混合气氛650°C下,镁还原二氧化硅得到多孔硅纳米空心球,最后在冰/水浴中,吡咯在硅表面原位聚合,得到聚吡咯@多孔硅空心球复合材料。电化学研究表明:在电流密度1.0 A g-1的条件下,循环250圈后的比容量和第二圈的相比,保持率有88%,显示该材料有优异的循环稳定性。在电流密度1.0、2.0、4.0和8.0 A g-1的条件下依次循环20圈,分别得到放电比容量为2594、1610、1125和661 mA h g-1,当电流密度再逐步回升到1.0 A g-1时,放电比容量恢复到近起始水平。该材料优越的储锂性能得益于其多孔空心结构和聚吡咯包覆。空心结构和壳上的多孔通道不仅有利于锂离子和电解液的扩散,而且能够缓冲体积膨胀和降低扩散引起的应力。聚吡咯包覆能够提高硅表面的电导率以及稳定电极材料的整个结构。(3)锡/一氧化锡嵌入褶皱的氮掺杂石墨烯。将纳米锡和氮掺杂石墨烯混合,在氩气氛围中加热到250°C,熔融的锡将通过毛细管作用力慢慢渗入氮掺杂石墨烯的孔中,并与氮掺杂的石墨烯表面的官能团反应,得到锡/一氧化锡/氮掺杂石墨烯复合材料。褶皱的氮掺杂石墨烯中剩余的孔容不仅能够为循环过程中锡产生的巨大体积膨胀提供空间,而且有利于锂离子和电解液传输。氮掺杂石墨烯的引入还能提高电极材料的导电性。生成的一氧化锡使得氮掺杂石墨烯和锡基颗粒接触紧密,在脱嵌锂过程中避免颗粒产生团聚以及保持复合材料的结构稳定。电化学研究表明:在电流密度1.0 A g-1的条件下,循环250圈后的放电比容量高达853mA h g-1,和第一圈的相比,保持率有79%,显示该材料有优异的循环稳定性。在电流密度0.5、1.0、2.0、4.0、8.0和16.0 A g-1的条件下依次循环10圈,分别得到放电比容量为1224、874、701、561、401和241 mA h g-1,经过高倍率充放电后,当电流密度再逐步回升到1.0 A g-1时,放电比容量高达634 mA h g-1,展示该材料有优异的倍率性能。
[Abstract]:The present invention has the advantages of high energy density and low self - discharge rate , and is widely applied to electronic products such as mobile phone , notebook computer , digital camera and so on .

【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33;TM912

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