硅/金属锂负极材料的设计与性能研究
发布时间：2022-07-12 20:09
为了应对新型电子器件及电动汽车的发展需求,开发高性能的锂离子电池尤为重要。因此包括硫和氧等正极,硅,锡和锂负极这些新型正负极材料吸引了众多研究者的目光。硅因为其巨大的储量,环境友好,低工作电位和极高的理论比容量（相当于现在使用的商业石墨负极的十倍）等优点被认为是非常有前景的电极材料。然而相对于这些显著的优点,硅作为负极缺点也很明显,其中最主要的问题是硅负极在电池循环中巨大的体积膨胀（接近4倍）会导致电极的粉碎和不稳定的固体电解质界面,从而严重影响其循环稳定性和寿命。在最近十年,研究者着眼于各种不同的纳米硅结构比如纳米颗粒,纳米线,纳米管和纳米多孔结构等,这些都表现出了不错的机械性能缓解了循环中巨大的体积膨胀从而提高了循环寿命。金属锂拥有相当高的理论容量（3860mAh/g）,很低的密度和最低的电化学反应电位,这些良好的特性使得金属锂电池体系一直是研究的热点。然而金属锂电池体系也存在一系列问题,比如,由于金属锂负极在电池循环过程中会产生锂枝晶,从而容易引发短路进而导致起火等安全隐患。最近的一些研究发现通过优化电解质的成分可以限制锂枝晶的生长,另外一种思路是通过在锂负极上设计纳米尺度保护层...
【文章页数】：116 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 锂离子电池概述
1.2.1 锂离子电池的结构与工作原理
1.2.2 锂离子电池的正极材料
1.2.3 锂离子电池的负极材料
1.2.4 锂离子电池的电解质
1.2.5 锂离子电池的隔膜
1.3 锂离子电池硅基负极的问题及进展
1.3.1 硅负极的基本挑战和解决方案
1.3.2 首圈库伦效率问题
1.3.2.1 二级结构的设计
1.3.2.2 预锂化
1.3.2.3 电解液添加剂
1.3.3 面积比容量问题
1.3.3.1 结构设计
1.3.3.2 导电粘结剂
1.4 本论文的研究思路及主要内容
参考文献
第二章 实验部分
2.1 实验试剂与材料
2.2 实验仪器
2.3 材料表征
2.3.1 X射线的衍射分析(XRD)
2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)
2.3.3 透射电子显微镜(TEM)
2.3.4 热重分析(TGA)
2.3.5 比表面积和孔径分布
2.3.6 X射线光电子能谱分析(XPS)
2.3.7 循环伏安测试(CV)
2.3.8 交流阻抗测试(EIS)
2.4 电池组装
2.5 电化学性能测试
第三章 原子层沉积氧化锌薄膜作为高效稳定的硅负极保护层的研究
3.1 引言
3.2 实验部分
3.3 结果与讨论
3.3.1 硅纳米颗粒及氧化锌薄膜的形貌结构表征
3.3.2 氧化锌包覆硅负极的反应机理
3.3.3 氧锌包覆硅负极的电化学性能
3.3.4 循环后的电极形貌
3.4 本章小结
参考文献
第四章 从工业硅出发,低成本制备硅负极的研究
4.1 引言
4.2 实验部分
4.3 结果与讨论
4.3.1 得到的颗粒形貌与晶相表征
4.3.2 纳米颗粒的TEM表征
4.3.3 两种硅源颗粒电极的电化学性能
4.4 本章小结
参考文献
第五章 同步制备掺杂多孔的硅纳米颗粒及其在锂离子电池方面的应用
5.1 引言
5.2 实验部分
5.3 结果与讨论
5.3.1 多孔硅颗粒及掺杂后的孔隙率导电率对比
5.3.2 多孔硅颗粒及掺杂后的形貌和结构表征
5.3.3 掺杂多孔纳米硅颗粒的晶体结构及孔隙率等表征测试
5.3.4 P掺杂的多孔纳米硅颗粒的电化学性能
5.4 本章小结
参考文献
第六章 基于PDMS的高效稳定的金属锂负极保护层
6.1 引言
6.2 实验部分
6.3 结果与讨论
6.3.1 沉积锂的形貌表征
6.3.2 PDMS薄膜的XPS表征
6.3.3 PDMS修饰后的沉脱Li的电化学性能
6.3.4 PDMS薄膜保护后的电极用于全电池测试的性能
6.4 本章小结
参考文献
第七章 总结与展望
7.1 本论文主要工作总结
7.2 末来工作的展望
攻读博士学位期间发表的学术论文
致谢
本文编号：3659770
【文章页数】：116 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 锂离子电池概述
1.2.1 锂离子电池的结构与工作原理
1.2.2 锂离子电池的正极材料
1.2.3 锂离子电池的负极材料
1.2.4 锂离子电池的电解质
1.2.5 锂离子电池的隔膜
1.3 锂离子电池硅基负极的问题及进展
1.3.1 硅负极的基本挑战和解决方案
1.3.2 首圈库伦效率问题
1.3.2.1 二级结构的设计
1.3.2.2 预锂化
1.3.2.3 电解液添加剂
1.3.3 面积比容量问题
1.3.3.1 结构设计
1.3.3.2 导电粘结剂
1.4 本论文的研究思路及主要内容
参考文献
第二章 实验部分
2.1 实验试剂与材料
2.2 实验仪器
2.3 材料表征
2.3.1 X射线的衍射分析(XRD)
2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)
2.3.3 透射电子显微镜(TEM)
2.3.4 热重分析(TGA)
2.3.5 比表面积和孔径分布
2.3.6 X射线光电子能谱分析(XPS)
2.3.7 循环伏安测试(CV)
2.3.8 交流阻抗测试(EIS)
2.4 电池组装
2.5 电化学性能测试
第三章 原子层沉积氧化锌薄膜作为高效稳定的硅负极保护层的研究
3.1 引言
3.2 实验部分
3.3 结果与讨论
3.3.1 硅纳米颗粒及氧化锌薄膜的形貌结构表征
3.3.2 氧化锌包覆硅负极的反应机理
3.3.3 氧锌包覆硅负极的电化学性能
3.3.4 循环后的电极形貌
3.4 本章小结
参考文献
第四章 从工业硅出发,低成本制备硅负极的研究
4.1 引言
4.2 实验部分
4.3 结果与讨论
4.3.1 得到的颗粒形貌与晶相表征
4.3.2 纳米颗粒的TEM表征
4.3.3 两种硅源颗粒电极的电化学性能
4.4 本章小结
参考文献
第五章 同步制备掺杂多孔的硅纳米颗粒及其在锂离子电池方面的应用
5.1 引言
5.2 实验部分
5.3 结果与讨论
5.3.1 多孔硅颗粒及掺杂后的孔隙率导电率对比
5.3.2 多孔硅颗粒及掺杂后的形貌和结构表征
5.3.3 掺杂多孔纳米硅颗粒的晶体结构及孔隙率等表征测试
5.3.4 P掺杂的多孔纳米硅颗粒的电化学性能
5.4 本章小结
参考文献
第六章 基于PDMS的高效稳定的金属锂负极保护层
6.1 引言
6.2 实验部分
6.3 结果与讨论
6.3.1 沉积锂的形貌表征
6.3.2 PDMS薄膜的XPS表征
6.3.3 PDMS修饰后的沉脱Li的电化学性能
6.3.4 PDMS薄膜保护后的电极用于全电池测试的性能
6.4 本章小结
参考文献
第七章 总结与展望
7.1 本论文主要工作总结
7.2 末来工作的展望
攻读博士学位期间发表的学术论文
致谢
本文编号：3659770
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