共轴结构CNT@Si@SiC复合材料储锂性能研究
发布时间：2020-12-20 20:40
随着便携式电子设备不断创新,以新能源汽车为代表的交通领域迅猛发展,人们对于电池能量密度的需求不断增大,因此开发出能量密度高,循环寿命长,安全性好的锂离子电池迫在眉睫。负极材料作为电池的一个关键组成部分,在很大程度上决定了锂离子电池的容量和性能。具有高容量的硅基材料是目前最有价值的负极材料。但由于它在充放电过程中产生严重的体积效应,加上其自身导电效率低导致其作为锂离子电池负极材料产生容量衰减快和倍率性能差等问题,致使其很难在电池领域进行广泛的商业化应用。因此,设计构筑能够有效缓冲硅基负极体积效应同时提高其导电性的负极材料,成为发展硅负极的重要研究领域。本文以具有优异力学性能和导电性的碳纳米管为轴,研究构筑共轴结构的硅基负极材料,以改善其作为锂离子电池负极的容量和稳定性。本文通过溶胶凝胶法,以活化后的碳纳米管为模板,在其表面上包覆一层TEOS水解得到的二氧化硅,通过镁热还原法和化学气相沉积法制备出CNT@Si、CNT@Si@C、CNT@Si@SiC三种性能较好的共轴结构的硅碳负极材。采用X射线衍射（X-ray Diffraction）、扫描电镜（Scanning Electron Micr...
【文章来源】：辽宁科技大学辽宁省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池工作原理示意图[69]
辽宁科技大学硕士学位论文5的容量衰减快速，循环寿命减少。1.4硅基负极材料在应用中存在的主要问题图1.2显示了目前人们主要研究的负极材料的工作电压及其理论比容量[23]。图1.2研究领域常见的新型正负极材料和前沿的电池电极材料[23]Fig.1.2TheroadmapforR&Dofnewelectrodematerialsandtoday"sstate-of-the-art[23]从图中可以看出硅基负极材料的工作电压电位较低，这不易产生锂枝晶。再从理论比容量的角度来看，从图中也看出硅基材料具有最高的理论容量。不仅如此，硅在自然界中元素分布广泛，它在地壳中的含量仅次于氧元素[78]。单质硅的来源比较丰富，并且人们对于单质硅的制备提纯的工艺探索也比较成熟。这些明显的优势使得人们认为它是最有潜力的负极材料，对于硅基负极材料的研究也成为了如今科学界的研究热点。然而，硅基材料作为锂离子电池的负极材料自存在着不足和缺点，其中最为致命的就是在充放电循环过程中伴随出现的巨大的体积膨胀效应[79-82]。巨大的体积膨胀效应使得它如今无法在实际生产中应用。
1.绪论6图1.3硅负极失效机理图：颗粒破裂、电接触失效、SEI膜不稳定[24]Fig.1.3FailuremechanismsoftheSianode:materialpulverization,electricalcontactfailureandunstableSEIlayer[24]众所周知，硅的体积膨胀效应会使得容量快速衰减。图1.3为硅基材料在充放电循环过程中的失效机理图，从图中可以看出硅基负极材料的在脱嵌锂离子过程中的巨大的体积膨胀会对电极产生三方面的不利影响，具体影响如下：在充放电时，锂离子在其中进行脱离和嵌入，这个过程会使得硅基材料内部产生巨大的切压应力，这些应力无法得到有效的释放导致颗粒破裂最终使得电极材料粉化，使得电极材料与集电器失去电接触，最终会导致材料的容量快速衰减。在充放电过程中硅基材料的体积会发生变化，当硅颗粒嵌锂的时候体积膨胀使得颗粒与颗粒之间会不断挤压，当硅颗粒脱锂的时候体积又会迅速收缩，使得颗粒与颗粒之间相互分离，导致电极材料与粘结剂脱离使得导电网络不断被破坏，最终导致材料与集电器失去电接触，致使容量衰减，循环寿命缩短。当放电的电压在1V以下时，电极内的固液交界面会出现电解液分解的现象，使得负极表面会覆盖一层SEI膜。尽管SEI膜阻止电子通过只可以允许Li+通过，适当的SEI膜有助于电极材料的稳定性，但是硅颗粒剧烈的体积膨胀会撑破表面形成的SEI膜，使得硅颗粒再次与电解液直接接触，导致新的SEI膜形成覆盖在原本破裂的SEI膜外。随着循环次数的增多SEI膜不断生长覆盖使得SEI膜不断增厚，过厚的SEI膜会降低电子的转移效率和锂离子的扩散能力，而且消耗了大量的不可逆的Li+，致使硅基材料的可逆容量大幅下降。
本文编号：2928517
【文章来源】：辽宁科技大学辽宁省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池工作原理示意图[69]
辽宁科技大学硕士学位论文5的容量衰减快速，循环寿命减少。1.4硅基负极材料在应用中存在的主要问题图1.2显示了目前人们主要研究的负极材料的工作电压及其理论比容量[23]。图1.2研究领域常见的新型正负极材料和前沿的电池电极材料[23]Fig.1.2TheroadmapforR&Dofnewelectrodematerialsandtoday"sstate-of-the-art[23]从图中可以看出硅基负极材料的工作电压电位较低，这不易产生锂枝晶。再从理论比容量的角度来看，从图中也看出硅基材料具有最高的理论容量。不仅如此，硅在自然界中元素分布广泛，它在地壳中的含量仅次于氧元素[78]。单质硅的来源比较丰富，并且人们对于单质硅的制备提纯的工艺探索也比较成熟。这些明显的优势使得人们认为它是最有潜力的负极材料，对于硅基负极材料的研究也成为了如今科学界的研究热点。然而，硅基材料作为锂离子电池的负极材料自存在着不足和缺点，其中最为致命的就是在充放电循环过程中伴随出现的巨大的体积膨胀效应[79-82]。巨大的体积膨胀效应使得它如今无法在实际生产中应用。
1.绪论6图1.3硅负极失效机理图：颗粒破裂、电接触失效、SEI膜不稳定[24]Fig.1.3FailuremechanismsoftheSianode:materialpulverization,electricalcontactfailureandunstableSEIlayer[24]众所周知，硅的体积膨胀效应会使得容量快速衰减。图1.3为硅基材料在充放电循环过程中的失效机理图，从图中可以看出硅基负极材料的在脱嵌锂离子过程中的巨大的体积膨胀会对电极产生三方面的不利影响，具体影响如下：在充放电时，锂离子在其中进行脱离和嵌入，这个过程会使得硅基材料内部产生巨大的切压应力，这些应力无法得到有效的释放导致颗粒破裂最终使得电极材料粉化，使得电极材料与集电器失去电接触，最终会导致材料的容量快速衰减。在充放电过程中硅基材料的体积会发生变化，当硅颗粒嵌锂的时候体积膨胀使得颗粒与颗粒之间会不断挤压，当硅颗粒脱锂的时候体积又会迅速收缩，使得颗粒与颗粒之间相互分离，导致电极材料与粘结剂脱离使得导电网络不断被破坏，最终导致材料与集电器失去电接触，致使容量衰减，循环寿命缩短。当放电的电压在1V以下时，电极内的固液交界面会出现电解液分解的现象，使得负极表面会覆盖一层SEI膜。尽管SEI膜阻止电子通过只可以允许Li+通过，适当的SEI膜有助于电极材料的稳定性，但是硅颗粒剧烈的体积膨胀会撑破表面形成的SEI膜，使得硅颗粒再次与电解液直接接触，导致新的SEI膜形成覆盖在原本破裂的SEI膜外。随着循环次数的增多SEI膜不断生长覆盖使得SEI膜不断增厚，过厚的SEI膜会降低电子的转移效率和锂离子的扩散能力，而且消耗了大量的不可逆的Li+，致使硅基材料的可逆容量大幅下降。
本文编号：2928517
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