锂离子电池硅基纳米负极材料结构设计与电化学性能研究

发布时间：2021-01-15 10:34

　　近年来,Si基负极材料因其较高的理论比容量、较低的嵌脱锂电位、丰富的原料来源以及环境友好等特点而受到科研人员的广泛关注,被认为是最有潜力的下一代高能量密度储能电池用负极材料。然而,其嵌脱锂过程中较大的体积变化,以及自身较低的本征电子/离子电导率,使其循环稳定性以及倍率特性较差,限制了其实际有效应用。本课题以单质Si和5iOx负极材料为研究对象,通过材料结构设计（有序介孔结构、3D分级结构、中空异质结构）以及电极结构设计（三明治结构设计）提高Si基负极材料的结构稳定性,并缩短锂离子在电极材料中的迁移路径,促进电极反应动力学过程;通过材料组分设计（高导电相引入:无定形碳、氮掺杂碳、石墨）构建电极中高速电子传输网络,进一步改善材料的倍率性能。系统研究纳米化结构材料制备机理,深入研究材料物相的结构特点以及颗粒形貌对电化学性能的影响,解析材料电化学性能改善的深层次原因。具体研究内容如下:采用自组装结合水热法,并通过后续碳包覆工艺制备出具有有序介孔结构的氧化亚硅/碳（SiOx/C）复合材料,SiOx/C复合材料活性颗粒的有序介孔结构能有效缓冲SiOx颗粒在嵌脱锂过程中的体积变化,增加电极材料与电解... 

【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：120 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图２－１锂离子电池工作示意图??－４－??

目前研究的新型负极材料主要包括：钛酸锂、过渡金属氧化物、过渡金??属硫化物、锡／桂合金类负极材料。不同新型负极材料的嵌脱锂电位与容量之??间的关系如图２－２所示［４４］，从图中可以看出，除传统石墨和和硬碳类负极材??料外，合金类负极材料（如硅负极材料）具有嵌锂电位低、比容量高的特点。??２．０１￣￣：＾［―—?????］??ｉ?ＩＩ；！??ＴＨａｎｉｕｍ?ｏｘｉｄ?ｓ??＞１０??＾???１——??５?．?Ｃ．，嘯？）??ｉ〇，?丨，??〇?Ｐｏｒｏｕｓ?ｃａｒｂｗｓ＿?；ｉｎｏｖ，?ＡＬ?Ｓａ，?Ｓｈ??〇丨?ＩＩ?］?＾??２００?４００?６００?８００?１０００?１２００?２０００?３０００?４０００?５０００??Ｃａｐａｃｉｔｙ?（Ａｈ／Ｋｇ）??图２－２锂离子电池负极材料的电势和容量之间关系图＾??２．２．１钛酸锂负极材料??在过去几年中科研人员己经成功将尖晶石结构的Ｌｉ４Ｔｉ５０１２?（ＬＴＯ）应用??于锂离子电池负极材料中，用来部分取代被广泛使用的石墨类碳基负极材料。??ＬＴＯ的理论比容量为ｎＳｍＡｈｇ－１

成温度降低了?１００°Ｃ以上。在合成具备纳米特殊形貌方面，Ｌｉ等人利用纳??米金颗粒与ＬＴ？复合制备出了介孔ＬＴＯ／Ａｕ复合材料，制备出的ＬＴＯ／Ａｕ复??合材料形貌和电化学性能如图２－３所示。??幽調釋??３〇〇＜???鐵＿ｓ??图２－３介孔ＬＴＯ／Ａｕ复合材料的形貌和电化学性能Ｍｌ??２．２．２过渡金属氧化物负极材料??Ｐｏｉｚｏｔ等［６１］报导了一系列过渡金属氧化物负极材料（Ｍｘ０ｙ，Ｍ＝Ｃｏ、Ｆｅ、??Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ等），这类过渡金属氧化物的理论比容量都比较高，一般都在７００??ｍＡｈｇ－１以上，它们在的储锂机理不同于石墨类负极材料的插层机理和合金??类负极材料的合金机理，而是被称为转换反应机理，其反应机理如（２－５）所??示：??Ｍｘ０ｙ＋２ｙＬｉ＋＋２ｅ＾＞ｘＭ＋ｙＬｉ２０?（２－５）??过渡金属氧化物在嵌脱锂过程中也存在较大的体积膨胀问题；此外，低??电导率也是降低其大电流充放电过程中可逆比容量的一个主要因素。因此，??如何缓解过渡金属氧化物负极材料在充放电过程中的体积膨胀问题；如何提??－７－??


本文编号：2978747