锂离子电池硅掺杂碳多孔复合负极材料的制备及其应用研究

发布时间：2020-05-08 17:58

【摘要】：能源危机严重制约我国的可持续发展,开发与应用新型高性能储能技术成为解决能源危机的有效途径之一。锂离子电池由于其具有的工作电压高、能量密度大、安全性好、质量轻、无污染等特点被广泛研究和运用,是便携式电子设备及电动汽车的理想电源。为了克服现有的锂电池硅基材料在充放电过程中硅纳米颗粒膨胀粉化的缺点以及硅纳米颗粒与碳兼容性较差的缺陷,本论文以锂离子电池硅掺杂碳多孔复合负极材料应用于高容量锂离子电池为研究与应用背景,所制备的硅掺杂碳多孔复合材料可以提供有效的缓冲空间以减轻硅纳米颗粒在锂嵌入过程中的巨大体积变化与持续的压力变化的影响,为有效地解决锂电硅粉末化提供一定的理论指导。本文主要研究内容如下:(1)采用气相沉积和发泡制孔的方法,经过高温碳热解、发泡制孔剂升华和碳包覆等过程制备锂离子电池硅掺杂碳大孔复合薄膜。对硅纳米颗粒进行氧化、接羟基、有机硅氧烷表面改性,研究硅纳米颗粒的氧化厚度,通过SEM、TEM、氮气吸附脱附测试等表征硅纳米颗粒表面修饰改性后的薄膜表面的孔洞结构。薄膜作为锂离子电池负极材料应用时,首次嵌锂容量达1045mAh g~(-1),脱锂容量为961mAh g~(-1),库仑效率为91.96%,循环100次后库仑效率为88.10%,显示较好的充放电性能。(2)通过一种简单的制备样品锂离子硅掺杂碳多孔复合负极材料的方法,依次制备m(Si):m(PTA)=1:15、1:30、1:45、1:60、1:75的样品硅掺杂碳多孔复合负极材料A、B、C、D、E,利用SEM观察孔结构,并通过比表面积孔隙分析仪测试样品,计算出不同制备条件下所得到的负极材料的比表面和孔容、孔径数据,同时,对样品A、B、C、D、E的电化学性能进行评价,探讨硅纳米颗粒与发泡剂的质量比对材料的泡孔结构和电化学性能的影响规律,寻找最佳的硅纳米颗粒与发泡剂的质量比,并探讨发泡剂PTA在材料中的发泡机理。其中介孔材料样品D为最佳,BET比表面积约为568.71 m~2 g~(-1),泡孔平均直径为24nm,首次放电容量为1627.6mAh g~(-1),充电容量为1597mAh g~(-1),库伦效率为92.02%,100次循环电容量有很高的保留能力,电化学性能得到改善。
【图文】：

组成图,电动汽车,能源,储能技术

第一章绪论1.1 前言随着科学与技术的发展，需要耗掉大量的能源和资源，图 1.1 为近 50 年来世界能源的需求组成图[1]。进入新世纪，，研究节能技术、开发清洁可再生能源和应用新型储能技术成为解决今后能源问题的有效途径。进入20世纪80年代以来，汽车产量得到迅速增长，燃油汽车成为严重的大气污染来源之一，电动汽车以及混合动力汽车由于其清洁环保成为世界各国汽车行业发展的新热点，以电能驱动代替化石燃料的内能驱动，现有电动汽车由于储电设备存在储电量低、充放次数少等问题而未能得到市场的认同与消费者的青睐，因而寻找合适的储能装备解决电能的储备问题是能源领域中重要的研究方向之一。

充放电原理,锂离子电池

图 1-2 锂离子电池充放电原理图Fig 1-2 Lithium-ion battery charge and discharge schematic具体过程为，充电时，锂离子从 LiCoO2脱出，同时失去相应电荷的电子 Co3+氧化为 Co4+，负极侧，锂离子插入到石墨层中形成 LixC，同时得到相荷的电子；放电时，锂离子从石墨层中脱出，回到正极材料中，正极同时得应电荷的电子，使得 Co4+还原为 Co3+。总的过程表现为，在充放电过程中子来回的在正负极中迁移，电极材料发生相应的可逆的氧化还原反应[22]。3 锂离子电池负极材料研究概述选择恰当的正负极材料是提高锂离子电池电化学性能的一个很关键的途径恰当的锂离子电池的负极材料应该满足以下六点要求[23-25]：（1）具有接近金属锂的电位，保证锂离子电池具有较高的输出电压；
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TM912

【参考文献】