高性能硅碳锂离子电池负极材料的制备及性能研究

发布时间：2017-07-05 15:27

  本文关键词：高性能硅碳锂离子电池负极材料的制备及性能研究

  更多相关文章： 硅 单壁碳纳米管 有序介孔碳 锂离子电池 泡沫铜

【摘要】：硅作为锂离子电池负极材料,具有非常高的理论比容量(4200 mAh g-1)、较低的嵌脱锂电位以及与电解液反应活性低等性质。但是,硅基负极在嵌脱锂过程中会出现体积膨胀(~300%),使得硅颗粒破碎、粉化,且使电极失去电活性,从而导致容量衰减;此外,硅的较低电导率和较差倍率性能也严重影响了其作为商业负极方面的应用。本文以纳米硅粉为硅源,以甲阶酚醛树脂为碳源,采用两种不同的制备方法合成了硅碳复合材料,并对其形貌、结构和电化学性能进行了研究。主要研究成果如下:(1)采用溶剂挥发诱导自组装合成法,在纳米硅粉上原位合成单壁碳纳米管/有序介孔碳三维导电网络,制得硅/单壁碳纳米管/有序介孔碳(Si/SWCNT/OMC)复合材料,并用SEM、TEM、BET、TGA和XRD等测试手段对材料的微观形貌和结构进行了表征。针对电化学性能,制备三种含有不同质量比例的硅碳复合材料与原材料进行了对比。结果表明:实验制得含有17wt.%,41 wt.%,58 wt.%硅的Si/SWCNT/OMC复合材料,在电流密度为400 mA g-1下,硅含量为41 wt.%时,性能最好,首次放电比容量高达1741.6 mAh g-1,首次库仑效率为70.8%。经过50次循环后,可逆放电比容量仍高达848.7 mAh g-1,表现出良好的循环性能;通过不同电流密度下的充放电测试,材料显示了良好的倍率性能。Si/SWCNT/OMC优异的电化学性能,主要归因于单壁碳纳米管和均一有序介孔孔道结构。其中,单壁碳纳米管具有良好的导电性与弹性;具有高比表面积和稳定机械性能的有序介孔碳构成了导电网络结构,使该复合材料能有效释放硅体积变化产生的应力,且为锂离子和电子的快速传输提供保证。(2)采用静置挥发法,在泡沫铜表面包覆含有硅粉的甲阶酚醛树脂,得到无需粘结剂的硅粉/无定形碳/泡沫铜(Si/C/Cu)整体负极材料,通过SEM、TEM、XRD和TGA等测试手段对材料微观形状与结构进行了表征。采用恒流充放电测试其电化学性能,研究了两种复合材料Si-0.55/C/Cu和Si-0.625/C/Cu对电池比容量的影响。结果表明:Si-0.55/C/Cu整体电极电化学性能优异,且在100 mA g-1的电流密度下,经过50次充放电循环后,放电比容量仍高达907 mAh g-1;通过不同电流密度下的充放电测试,在电流密度为1000 mA g-1时,电池的可逆容量仍然可以保存在470 mAh g-1,显示了良好的倍率性能。Si/C/Cu优异的电化学性能,主要归因于,泡沫铜的多孔结构,为硅粉的体积膨胀提供了空间;具有良好机械稳定性能的无定形碳层,有效地缓释了硅在发生膨胀时产生的应力。
【关键词】：硅 单壁碳纳米管 有序介孔碳 锂离子电池 泡沫铜
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-31
• 1.1 锂离子电池概述11-12
• 1.2 锂离子电池的工作原理和结构12-14
• 1.3 锂离子电池负极材料的研究进展14-19
• 1.3.1 碳类材料16-18
• 1.3.2 过渡金属氧化物材料18
• 1.3.3 金属及合金类材料18-19
• 1.3.4 复合材料19
• 1.4 碳纳米管作为锂离子电池负极材料的研究应用19-22
• 1.4.1 碳纳米管的简介19-20
• 1.4.2 碳纳米管在锂离子电池负极材料中的应用20-22
• 1.5 介孔碳作为锂离子电池负极材料的研究应用22-24
• 1.5.1 介孔碳的简介22-23
• 1.5.2 介孔碳的合成方法及分类23
• 1.5.3 介孔碳在锂离子电池负极材料中的应用23-24
• 1.6 硅基材料作为锂离子电池负极材料的研究应用24-29
• 1.6.1 硅负极材料简介24-25
• 1.6.2 硅基材料作为锂离子电池负极材料的种类及应用25-29
• 1.7 本文的研究意义和研究内容29-31
• 1.7.1 本文的研究意义29-30
• 1.7.2 本文的研究内容30-31
• 2 三维网状Si/SWCNT/OMC复合材料的制备及研究31-55
• 2.1 引言31-32
• 2.2 实验部分32-34
• 2.2.1 实验药品32-33
• 2.2.2 实验仪器33-34
• 2.3 复合材料Si/SWCNT/OMC的制备及性能测试34-40
• 2.3.1 复合材料Si/SWCNT/OMC的制备步骤34-36
• 2.3.2 对比材料的制备36
• 2.3.3 材料表征方法36-38
• 2.3.4 电化学性能测试38-40
• 2.4 实验结果与分析40-53
• 2.4.1 对比材料的物性分析40-43
• 2.4.2 复合材料的结构分析43-47
• 2.4.3 复合材料的微观形貌分析47-48
• 2.4.4 电化学性能分析48-53
• 2.5 本章小结53-55
• 3 三维网状Si/C/Cu复合材料的制备及性能测试55-74
• 3.1 引言55-56
• 3.2 实验部分56-58
• 3.2.1 实验药品56-57
• 3.2.2 实验仪器57-58
• 3.3 复合材料Si/C/Cu的制备及性能测试58-60
• 3.3.1 Si/C/Cu复合材料的制备步骤58-59
• 3.3.2 材料表征方法59
• 3.3.3 电化学性能测试59-60
• 3.4 实验结果与分析60-72
• 3.4.1 三维网络Si/C/Cu复合材料的结构设计60-61
• 3.4.2 复合材料的形貌分析61-65
• 3.4.3 复合材料的结构分析65-67
• 3.4.4 电化学性能分析67-72
• 3.5 本章小结72-74
• 4 总结与展望74-76
• 4.1 总结74-75
• 4.2 展望75-76
• 参考文献76-84
• 个人简历及发表文章目录84-85
• 致谢85

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