硅碳负极表面修饰膜的制备与性能研究
发布时间：2021-06-23 20:34
随着电动汽车（EV）和智能电网的快速发展,人们对具有高能量/功率密度、长循环寿命和低制造成本的下一代锂离子电池提出了更高的要求。硅基负极材料长期以来一直被认为是商用石墨阳极的最有希望的替代品之一,其具有超高的理论比容量和较低的工作电位。然而硅基负极材料固有的导电性差、不稳定的固态电解质膜及高达300%的体积膨胀问题制约了硅基负极电池的广泛应用。本论文通过硅碳负极电极片表面修饰层的构建,缓解硅基电池体积膨胀所带来的问题。研究了两种不同修饰膜对硅基电池的作用,通过电化学性能和结构性能表征,结果显示,修饰界面膜的开发能在一定程度上改善硅基电池的稳定性。通过简单的浸润工艺在硅碳负极电极片上获得了修饰层聚多巴胺,通过控制自聚合的反应时间制备出不同的修饰电极片。电化学测试结果显示当自聚合反应时间为40分钟时,其长循环稳定性、倍率性能和阻抗性能最优。X射线光电子能谱,透射电子显微镜和扫描电子显微镜表征也证明,聚多巴胺修饰层促进了均匀致密SEI膜的形成,并减少了电极表面的裂纹,从而减轻了电极的粉碎。通过将不同质量分数的PEO和LiTFSI混合溶液旋涂在硅碳负极电极片表面,得到不同的修饰电极。将空白极片...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂电池发展示意图
燕山大学工程硕士学位论文-4-材料，材料的结构便会失衡变得不稳定，严重时可能会使材料结构坍塌[14]。在此基础上Goodenough综合考虑各方面优劣势，最终实现超过半数的锂离子可逆的脱出LiCoO2，使其可逆容量达到140mAhg-1以上，这一成果最终催生了锂离子电池的诞生。同期，正在旭化成工作的AkiraYoshino对锂电池电极组合进行了进一步的优化，他没有使用活性锂金属作为阳极，而是尝试使用一种碳质材料——石油焦，并采用LiCoO2作为正极，开发了最早的锂离子电池模型[15]。这一技术最终被索尼公司采用，在1991年推出了全球首款商用锂离子电池。自此，凭借着高能量密度、高安全性的优势，锂离子电池开始一路狂奔，迅速将其他二次电池甩在身后，在短短的十几年的时间里锂离子电池已经彻底占领了消费电子市场，并扩展到了电动汽车领域，取得了辉煌的成就。1.2.2锂离子电池工作原理图1-2锂离子电池工作原理示意图锂离子电池一般有正极、负极和电解质组成，正极大都采用的是过渡金属氧化物和锂的化合物，它们均具有层状结构以容纳锂离子，并且插入电位高。最常见的如LixCoO2，LixNiO2以及尖晶石结构的LiMn2O4等，它们的插锂电位都可以达到4V以上且均具有接纳锂离子的位置和扩散路径。锂离子电池的负极材料常用石墨材料，电解质一般采用溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6的有机溶液。锂离子电池的工作原理如图1-2所示，其本质是利用锂离子的浓度差。正负电极
第1章绪论-9-作者将其归因于热解过程中氟对硅的强腐蚀，通过强腐蚀将一部分氟插入到Si-Si键中，从而增强了碳壳与硅核之间的界面相容性[38]。图1-4双层核壳结构Si@SiO2@C纳米复合材料的制备示意图（a）；Si@SiO2@C纳米复合材料的TEM（b）；和HR-TEM图像（c）Tao等人设计并制造了一种双壁核壳结构（图1-4）。SiNPs涂有双壳，二氧化硅（SiO2）层和热解碳层，所得材料称为Si@SiO2@C。与单核-壳结构（Si@C）相比，Si@SiO2@C复合材料在0.01V至5.0V之间显示出更稳定的循环性能。薄的SiO2中间层可增强碳壳对Si核的粘附并减轻了循环过程中Si的应力。另外，SiO2壳可以与Li+不可逆地反应，形成Li4SiO4合金和Si。生成的Si有利于复合材料的可逆容量，而Li4SiO4合金可进一步提供机械支撑以抑制Si核的体积膨胀[39]。2、蛋黄壳结构研究人员在Si@C核壳结构的基础上，考虑硅壳表面覆盖的碳层只能提供一定程度上的缓冲空间，提出了一种新型的蛋黄壳硅碳结构。该结构同核壳结构一样由碳壳和硅核构成，不同的是碳壳和硅核之前留有额外的内部空隙。薄的碳层有助于锂离子和电子的转移，并提供了稳定的界面以实现颗粒之间的良好接触。蛋黄壳结构内部的空隙提供了一种有效的方法来缓冲体积膨胀，并使Si核可自由地膨胀和收缩而不会粉碎。Zhouetal通过四乙氧基硅烷（TEOS）的水解，通过在SiO2牺牲层上涂覆SiNP，然后沉积热解碳，从而合成了Si@void@C蛋黄壳结构（图1-5）。氢氟酸（HF）用来浸出SiO2成分，从而形成Si@void@C卵黄壳结构。蛋黄壳电极具有比SiNP和
本文编号：3245612
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂电池发展示意图
燕山大学工程硕士学位论文-4-材料，材料的结构便会失衡变得不稳定，严重时可能会使材料结构坍塌[14]。在此基础上Goodenough综合考虑各方面优劣势，最终实现超过半数的锂离子可逆的脱出LiCoO2，使其可逆容量达到140mAhg-1以上，这一成果最终催生了锂离子电池的诞生。同期，正在旭化成工作的AkiraYoshino对锂电池电极组合进行了进一步的优化，他没有使用活性锂金属作为阳极，而是尝试使用一种碳质材料——石油焦，并采用LiCoO2作为正极，开发了最早的锂离子电池模型[15]。这一技术最终被索尼公司采用，在1991年推出了全球首款商用锂离子电池。自此，凭借着高能量密度、高安全性的优势，锂离子电池开始一路狂奔，迅速将其他二次电池甩在身后，在短短的十几年的时间里锂离子电池已经彻底占领了消费电子市场，并扩展到了电动汽车领域，取得了辉煌的成就。1.2.2锂离子电池工作原理图1-2锂离子电池工作原理示意图锂离子电池一般有正极、负极和电解质组成，正极大都采用的是过渡金属氧化物和锂的化合物，它们均具有层状结构以容纳锂离子，并且插入电位高。最常见的如LixCoO2，LixNiO2以及尖晶石结构的LiMn2O4等，它们的插锂电位都可以达到4V以上且均具有接纳锂离子的位置和扩散路径。锂离子电池的负极材料常用石墨材料，电解质一般采用溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6的有机溶液。锂离子电池的工作原理如图1-2所示，其本质是利用锂离子的浓度差。正负电极
第1章绪论-9-作者将其归因于热解过程中氟对硅的强腐蚀，通过强腐蚀将一部分氟插入到Si-Si键中，从而增强了碳壳与硅核之间的界面相容性[38]。图1-4双层核壳结构Si@SiO2@C纳米复合材料的制备示意图（a）；Si@SiO2@C纳米复合材料的TEM（b）；和HR-TEM图像（c）Tao等人设计并制造了一种双壁核壳结构（图1-4）。SiNPs涂有双壳，二氧化硅（SiO2）层和热解碳层，所得材料称为Si@SiO2@C。与单核-壳结构（Si@C）相比，Si@SiO2@C复合材料在0.01V至5.0V之间显示出更稳定的循环性能。薄的SiO2中间层可增强碳壳对Si核的粘附并减轻了循环过程中Si的应力。另外，SiO2壳可以与Li+不可逆地反应，形成Li4SiO4合金和Si。生成的Si有利于复合材料的可逆容量，而Li4SiO4合金可进一步提供机械支撑以抑制Si核的体积膨胀[39]。2、蛋黄壳结构研究人员在Si@C核壳结构的基础上，考虑硅壳表面覆盖的碳层只能提供一定程度上的缓冲空间，提出了一种新型的蛋黄壳硅碳结构。该结构同核壳结构一样由碳壳和硅核构成，不同的是碳壳和硅核之前留有额外的内部空隙。薄的碳层有助于锂离子和电子的转移，并提供了稳定的界面以实现颗粒之间的良好接触。蛋黄壳结构内部的空隙提供了一种有效的方法来缓冲体积膨胀，并使Si核可自由地膨胀和收缩而不会粉碎。Zhouetal通过四乙氧基硅烷（TEOS）的水解，通过在SiO2牺牲层上涂覆SiNP，然后沉积热解碳，从而合成了Si@void@C蛋黄壳结构（图1-5）。氢氟酸（HF）用来浸出SiO2成分，从而形成Si@void@C卵黄壳结构。蛋黄壳电极具有比SiNP和
本文编号：3245612
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3245612.html
