硅、碳基负极电化学性能的研究以及高压装置的设计试制
发布时间：2021-01-19 01:47
随着社会的发展,较低比容量的商业石墨负极已无法满足日益增长的能源需求。我们尝试制备了高容量的硅基复合电极材料,希望能缓解硅的体积膨胀,又避免硅的不良导电性带来的容量衰减问题;使用熔盐锌热法制备了三维多孔碳材料,用于高倍率的钾离子电池负极。主要内容有:（1）为了改善硅的导电性,将硅与金属锗进行了复合。锗的导电性远大于硅,而且可以与金属锂形合金储锂。电极物质荷载量1mgcm-2左右时,纯硅和SG-4初始放电和充电容量分别为3216.2/2532.7和2780.4/1964.6 mAh g-1,库伦效率分别为78.7%和70.6%。与纯硅相比,硅/锗复合物表现出更好的循环性能。电流密度为0.6 Ag-1时,经150圈充放电循环后纯硅容量由3114 mAh g-1降至637 mAh g-1,SG-4 由 2040.3 mA h g-1 降至 1761.0 mAh g-1,容量保持率较好。电流密度分别为0.2,0.6,1.2,2.4,5 and 10Ag-1时对应SG-4比容量分别为2207.2,1899.2,1535.9,1103.6,800.6 和 542 mAh g-1。当电流密度为 2 ...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：100 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２?２２００°Ｃ处理后的焦炭（ＩＣＯＫＥ２２００）及天然石墨（ｎａｔｕｒａｌ?ｇｒａｐｈｉｔｅ）不同电流密度下??的充放电容量比较＾??°
??由图１．３可知，一些锡基和锑基负极材料具有低于１００?ｍＡｈ?ｇ－１的不可逆容量和??高达８５％－９５％的库伦效率（图中椭圆线圈出的部分）。通过电解沉积制得的结??晶态的ＳｎＣｏＰ具有９３％的库伦效率和低至约ＧＯｍＡｈｇ－１的不可逆容量［１Ｑ７］。通过??电解沉积制备的薄膜锡电极（厚度约几微米）具有９４％的库伦效率和低至约??＾ｍＡｈｇ－１的不可逆容量这两种通过电解沉积制得的合金电极具有如此低的??不可逆容量可能与其高的纯度及良好的导电性有关。将Ｓｂ或Ｓｂ／ＴｉＣ与炭黑混合??后氩气气氛下采用高能球磨法制得的Ｓｂ／ＣＰｌ和Ｓｂ／ＴｉＣ／Ｏｍｌ样品，库伦效率约??８７％。如果单独球磨炭黑，所得负极材料不可逆容量将高达ＳＯＯｍＡｈｇ－１，库伦效??率低至约５４％［１１２］。这些球磨的碳复合材料所以具有低的不可逆容量，可能是源??于锑颗粒的纳米化，并且能够均匀地嵌入到碳的基质中ｔ１１２，９５］。氩气气氛下球磨??法制得的ＦｅＳｎ２／Ｃ〖１１３］和ＩｎＳｂ［１１４］负极材料，库伦效率可达８７－９０％。这些结果表明??合金电极的不可逆容量经进一步优化后有可能达到甚至超过最好的碳负极材料。??换句话说，高的不可逆容量可能并不是这些合金电极的本质属性，进一步的制备??或工艺优化有可能能够完全消除掉这种不可逆容量。??图１．４为几种锑基负极材料的循环性能，效果较好。Ｃ．Ｍ．?Ｐａｒｋ等人通过球??磨的方法制备了纳米结构的含碳基质的Ｓｂ／Ｃ／Ｇ％】
ｎｎｍ基质上⑴２］，碳含量约为４０％?（重量比）。该负极材料经３００圈充放电循环后，??容量保持在约５６０ｍＡｈｇ＇良好的循环性能源于其纳米化的尺寸以及无定型碳基??质的缓冲效应。长时间循环后仍未见该纳米复合材料有开裂现象，经过十次循环??后ＳｎＳｂ晶粒的尺寸己降至２－３?ｎｍ。该材料还有较好的首次库伦效率（约８１％）??和良好的高倍率充放电容量［１１２］。??和锂硅合金电极一样，其他合金材料电极也存在着充放电过程中大幅的体积??膨胀收缩问题。图１．６为计算的硅和锡负极材料充电膨胀曲线［１１９］。由图中曲线可??知，锡的膨胀性与硅极为类似，锡同样存在高达２００％－３００％的体积膨胀问题。??Ｌ．Ｙ．?Ｂｅａｕｌｉｅｕ等人对合金电极的倍率性能做了研究，具体见图１０４’?１１５’??１１９１。ＳｎＳｂ／Ｃｔ％和Ｓｂ／ＣＷ纳米复合物在２Ｃ倍率充放电条件下表现出相对稳定的??容量。Ｓｂ／ＡｋＣｂ／Ｃ在５Ｃ倍率充放电条件下仍保持良好的容量［｜１５］。Ｓｂ／Ａｈ〇３／Ｃ和??Ｓｂ／Ｃ纳米复合物良好的倍率充放电性能应归因于纳米锑颗粒内部短的锂扩散距??离及高的扩散速度以及碳基质良好的导电性【１１５］。但是微米尺寸的ＮｉＳｂ２比容量??随着放电倍率Ｃ的增加而下降ＤＭ。尚不清楚这种差的倍率放电性能是否源于其??较大的颗粒尺寸。硅薄膜电极及硅纳米线电极也发现有随着放电倍率Ｃ增加容??量下降现象１１０４］。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]GH2107高温合金力学性能的研究[J]. 杨成,王海强,肖旋. 沈阳理工大学学报. 2016(01)
[2]锂离子二次电池用涂炭石墨阳极(英文)[J]. 太田直人. 新型炭材料. 2002(02)
本文编号：2986090
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：100 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２?２２００°Ｃ处理后的焦炭（ＩＣＯＫＥ２２００）及天然石墨（ｎａｔｕｒａｌ?ｇｒａｐｈｉｔｅ）不同电流密度下??的充放电容量比较＾??°
??由图１．３可知，一些锡基和锑基负极材料具有低于１００?ｍＡｈ?ｇ－１的不可逆容量和??高达８５％－９５％的库伦效率（图中椭圆线圈出的部分）。通过电解沉积制得的结??晶态的ＳｎＣｏＰ具有９３％的库伦效率和低至约ＧＯｍＡｈｇ－１的不可逆容量［１Ｑ７］。通过??电解沉积制备的薄膜锡电极（厚度约几微米）具有９４％的库伦效率和低至约??＾ｍＡｈｇ－１的不可逆容量这两种通过电解沉积制得的合金电极具有如此低的??不可逆容量可能与其高的纯度及良好的导电性有关。将Ｓｂ或Ｓｂ／ＴｉＣ与炭黑混合??后氩气气氛下采用高能球磨法制得的Ｓｂ／ＣＰｌ和Ｓｂ／ＴｉＣ／Ｏｍｌ样品，库伦效率约??８７％。如果单独球磨炭黑，所得负极材料不可逆容量将高达ＳＯＯｍＡｈｇ－１，库伦效??率低至约５４％［１１２］。这些球磨的碳复合材料所以具有低的不可逆容量，可能是源??于锑颗粒的纳米化，并且能够均匀地嵌入到碳的基质中ｔ１１２，９５］。氩气气氛下球磨??法制得的ＦｅＳｎ２／Ｃ〖１１３］和ＩｎＳｂ［１１４］负极材料，库伦效率可达８７－９０％。这些结果表明??合金电极的不可逆容量经进一步优化后有可能达到甚至超过最好的碳负极材料。??换句话说，高的不可逆容量可能并不是这些合金电极的本质属性，进一步的制备??或工艺优化有可能能够完全消除掉这种不可逆容量。??图１．４为几种锑基负极材料的循环性能，效果较好。Ｃ．Ｍ．?Ｐａｒｋ等人通过球??磨的方法制备了纳米结构的含碳基质的Ｓｂ／Ｃ／Ｇ％】
ｎｎｍ基质上⑴２］，碳含量约为４０％?（重量比）。该负极材料经３００圈充放电循环后，??容量保持在约５６０ｍＡｈｇ＇良好的循环性能源于其纳米化的尺寸以及无定型碳基??质的缓冲效应。长时间循环后仍未见该纳米复合材料有开裂现象，经过十次循环??后ＳｎＳｂ晶粒的尺寸己降至２－３?ｎｍ。该材料还有较好的首次库伦效率（约８１％）??和良好的高倍率充放电容量［１１２］。??和锂硅合金电极一样，其他合金材料电极也存在着充放电过程中大幅的体积??膨胀收缩问题。图１．６为计算的硅和锡负极材料充电膨胀曲线［１１９］。由图中曲线可??知，锡的膨胀性与硅极为类似，锡同样存在高达２００％－３００％的体积膨胀问题。??Ｌ．Ｙ．?Ｂｅａｕｌｉｅｕ等人对合金电极的倍率性能做了研究，具体见图１０４’?１１５’??１１９１。ＳｎＳｂ／Ｃｔ％和Ｓｂ／ＣＷ纳米复合物在２Ｃ倍率充放电条件下表现出相对稳定的??容量。Ｓｂ／ＡｋＣｂ／Ｃ在５Ｃ倍率充放电条件下仍保持良好的容量［｜１５］。Ｓｂ／Ａｈ〇３／Ｃ和??Ｓｂ／Ｃ纳米复合物良好的倍率充放电性能应归因于纳米锑颗粒内部短的锂扩散距??离及高的扩散速度以及碳基质良好的导电性【１１５］。但是微米尺寸的ＮｉＳｂ２比容量??随着放电倍率Ｃ的增加而下降ＤＭ。尚不清楚这种差的倍率放电性能是否源于其??较大的颗粒尺寸。硅薄膜电极及硅纳米线电极也发现有随着放电倍率Ｃ增加容??量下降现象１１０４］。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]GH2107高温合金力学性能的研究[J]. 杨成,王海强,肖旋. 沈阳理工大学学报. 2016(01)
[2]锂离子二次电池用涂炭石墨阳极(英文)[J]. 太田直人. 新型炭材料. 2002(02)
本文编号：2986090
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