硅碳复合负极材料的设计合成及储能研究

发布时间：2020-06-08 03:18

【摘要】：硅基负极材料具有高理论比容量、低电压平台以及资源丰富等优点,是最有潜力的储锂负极材料。但是硅在充放电过程中的巨大体积变化和较低的本征电导率极大地限制了其循环稳定性和倍率性能。纳米化和碳复合是提升其储锂性能的主要途径。本文针对硅基负极材料存在的问题,从结构设计入手,制备了多种硅碳(Si/C)复合材料,并研究了其电化学性能,主要内容如下:(1)以稻壳为原料,分别制备多孔Si/C复合材料和分级多孔碳(RAC)材料,并成功地将稻壳的三维多孔结构引入到这两种材料中。多孔Si/C复合材料的三维多孔结构能够有效地缓解硅在充放电过程中的巨大的体积变化,并且有利于电子和离子的传输,具有较好的电化学性能,在6.4 A g~(-1)下循环250圈后,可逆比容量仍然能够维持在500 mAh g~(-1)左右;在电流密度高达12.8 A g~(-1)时的可逆比容量仍有500 mAh g~(-1)。另一方面,分级多孔碳具有合适的孔径分布和大的有效比表面积,提高了有机电解液中离子的有效吸附量,促进离子快速传输,具有良好的电化学性能。得益于多孔Si/C复合材料和分级多孔碳的高比容量、良好的倍率性能和较好的循环稳定性,由这两种电极材料组装成的Si/C||RAC锂离子电容器在功率密度为1146 W kg~(-1)时,其能量密度可达到227 W h kg~(-1);即使功率密度提升到32595 W kg~(-1),其能量密度仍能保持为181 W h kg~(-1),并且具有较好的循环稳定性,循环16000圈以后,能量密度基本上没有衰减。(2)以光纤废料作为原料,通过氧化铝辅助的镁热还原反应,成功制备了不含碳化硅的yolk-shell结构Si/C复合材料。独特的yolk-shell结构能够有效地缓解硅在充放电过程中的巨大的体积变化,保持结构的完整。另外,不含碳化硅的碳壳不但能保持SEI膜的稳定,而且保证了材料整体的导电性,有利于电子和离子的传输。所制备的Si@void@C展现出较好的储锂性能,在0.4 A g~(-1)循环100圈以后的可逆比容量为1460 mAh g~(-1);电流密度高达10.0 A g~(-1)下循环到200圈的可逆容量仍然保持在800 mAh g~(-1)。基于Si@void@C良好的电化学性能,我们以所制备的Si@void@C作为负极材料,组装了Si@void@C||RAC锂离子电容器。在功率密度为1237 W kg~(-1),其能量密度可达到231 W h kg~(-1);即使功率密度提升到34255 W kg~(-1)时,其能量密度仍然能够保持为189 W h kg~(-1),并且具有良好的循环稳定性,循环15000圈以后,能量密度基本保持稳定。(3)结合多孔结构、空心结构和yolk-shell结构的优点,设计并制备了不含碳化硅的多孔ball-in-ball结构Si/C复合材料。这种独特的ball-in-ball结构能够有效地缓解硅在充放电过程中的巨大的体积变化,保持结构的完整,并且有利于电子和离子的传输。所制备的Si@C ball-in-ball HSs在1.0 A g~(-1)循环100圈后的可逆比容量为1446 mAh g~(-1);电流密度高达32.0 A g~(-1)时的可逆比容量仍然保持在586 mAh g~(-1);并且在2.0 A g~(-1)和4.0 A g~(-1)均可以稳定循环1000圈。负极良好的储锂性能让Si@C ball-in-ball HSs||RAC锂离子电容器展现出更好的性能,在功率密度为1376 W kg~(-1)时,其能量密度能达到239 W h kg~(-1);即使功率密度提升到69600 W kg~(-1),其能量密度仍然能够保持为154 W h kg~(-1),并且具有良好的循环稳定性,循环15000圈以后,能量密度基本上没有衰减。(4)以SiO为原料,通过控制镁热还原反应的条件,成功地制备了孔径约为2.8 nm的多孔硅。由于外表面窄小的孔道结构,可以有效地阻止炭包覆过程中碳进入多孔硅的内部,仅形成外表面的炭包覆。仅使用了5.8 wt%的碳就有效地将多孔硅的比表面积从235.6 m~2 g~(-1)降低到32.4 m~2 g~(-1),同时保持硅内部的多孔结构。合理的结构设计使得外表面包覆的硅碳复合材料能够抑制SEI膜的生成,减少锂离子不可逆的嵌入无定形碳,缓解充放电过程中的体积变化。作为锂离子电池负极材料,外表面包覆的Si/C复合材料的首次库伦效率能够达到87.5%,同时可逆比容量在0.4 A g~(-1)循环100圈之后仍然能够达到2242 mAh g~(-1)。
【图文】：

图 1-1 锂离子电池的工作原理示意图。Fig. 1-1 Schematic illustration of lithium-ion batteries.电容器的工作原理 年赫姆霍兹（Helmhotz）首次提出双电层的概念，并成功建。但是直到 1954 年才由美国通用电气公司（GeneralElectric初的双电层电容器，即超级电容器。超级电容器的结构组成似，，均由负极材料、正极材料、隔膜以及电解质等部分组成2 所示[29]。充电过程中，电解液中的阴离子和阳离子分别向电极表面形成双电层；撤销电场后，电极表面的正负电荷荷离子相互吸引构成稳定的双电层，在两极之间产生稳定的与外电路连通，电极上的电荷通过外电路由负极流向正极

图 1-2 双电层电容器的工作原理示意图。Fig. 1-2 Schematic illustration of double layer capacitors.容器的工作原理图 1-3 锂离子电容器的工作原理示意图。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332;TM912

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本文编号：2702455