锂离子电池硅碳复合负极材料的制备及电化学性能的研究

发布时间：2017-03-24 07:17

  本文关键词：锂离子电池硅碳复合负极材料的制备及电化学性能的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着人们对电池的需求越来越广泛,人们对锂离子电池能量密度、寿命、安全性的要求愈发严苛,因此开发具有更高能量密度、更长使用寿命、更高安全性的高效锂离子电池极具迫切性。电池电极材料是决定锂离子电池性能的关键因素,因而开发新型电极材料成为了锂电池的研究热点。在众多的新型负极材料之中,硅以其极高的嵌锂比容量和广泛的来源脱颖而出。然而其在作为锂离子电池负极冲放电的过程中,体积会因为相变发生巨大的膨胀或收缩,这种体积效应会导致活性材料的粉化最终与集流体分离致使电池失效。硅材料的改性方法之一是将其与碳类材料进行复合,以碳类材料吸收硅材料在体积变化中产生的应力集中,达到提高硅材料循环性能的目的。本文采用用化学气相沉积的方法、硅烷为硅源,以碳纳米管、商业石墨、石墨烯为基体,制作了三种不同结构的硅碳复合材料。其中以碳纳米管为基体的复合材料有效地缓解了材料的体积效应,在冲放电电流为50mA条件下,首次放电比容量可达1357.5mAh/g;以商业石墨为基体的复合材料在同样条件下,50次循环后其可逆比容量依然可以稳定在500mAh/g;以石墨烯为基体的复合材料在同样条件下首次可逆比容量高达1087mAh/g,且具有优异的循环稳定性。三种复合材料中的碳基体不但可以缓解硅的体积膨胀,而且还增加了材料的导电率,明显改善了材料的电化学性能。
【关键词】：锂离子电池 负极材料 硅 碳基体 化学气相沉积
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 引言11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 国内外锂离子电池发展现状11-12
• 1.2 锂离子电池的工作原理及特点12-14
• 1.2.1 锂离子电池的结构组成12-13
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理13-14
• 1.2.3 锂离子电池的特点14
• 1.3 锂离子电池负极材料的研究进展14-17
• 1.3.1 碳类负极材料15
• 1.3.2 过渡金属氧化物类负极材料15-16
• 1.3.3 过渡金属氮化物类负极材料16-17
• 1.3.4 合金负极材料17
• 1.4 硅基负极材料17-21
• 1.4.1 纳米硅18-20
• 1.4.1.1 硅纳米薄膜18-19
• 1.4.1.2 多孔结构硅19-20
• 1.4.1.3 硅纳米线/管20
• 1.4.2 硅基复合材料20-21
• 1.4.2.1 硅—惰性金属复合材料20-21
• 1.4.2.2 硅—活性金属复合材料21
• 1.4.2.3 硅—非金属复合材料21
• 1.5 硅—碳复合材料21-25
• 1.5.1 包覆型硅—碳复合材料22-24
• 1.5.1.1 核壳型22
• 1.5.1.2 纤维型22-23
• 1.5.1.3 多孔型23-24
• 1.5.2 嵌入型24-25
• 1.6 本论文的研究内容与研究意义25-27
• 第2章 实验用仪器、设备、材料及实验方法27-33
• 2.1 实验仪器、设备及材料27-28
• 2.2 式样的制备28
• 2.2.1 实验路线28
• 2.2.2 CVD法制备复合材料28
• 2.3 复合材料物理性能测试28-30
• 2.3.1 复合材料的衍射图谱分析28-29
• 2.3.2 复合材料的扫面电子显微镜及元素分析29
• 2.3.3 复合材料的透射电子显微镜分析29-30
• 2.4 复合材料电化学性能测试30-33
• 2.4.1 扣式电池的组装30-31
• 2.4.2 恒电流冲放电测试31
• 2.4.3 循环伏安测试31
• 2.4.4 电化学阻抗测试31-33
• 第3章 碳纳米管/硅复合材料的制备及表征33-46
• 3.1 碳纳米管-金颗粒的组装33-36
• 3.1.1 碳纳米管-金颗粒合成条件的确定33-36
• 3.2 纳米硅颗粒的生长36-44
• 3.2.1 反应气体浓度对沉积的影响37-39
• 3.2.2 反应温度对沉积的影响39-41
• 3.2.3 反应时间对沉积的影响41-43
• 3.2.4 反应压力对沉积的影响43-44
• 3.3 沉积工艺的确定及表征44-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第4章 其他碳基体与硅形成复合材料的制备及表征46-54
• 4.1 石墨/硅材料的制备及表征46-50
• 4.2 石墨烯/硅材料的制备及表征50-53
• 4.3 本章小结53-54
• 第5章 复合材料的电化学性能分析54-66
• 5.1 纳米碳管/硅复合材料电化学性能测试和分析54-57
• 5.1.1 循环性能测试54-55
• 5.1.2 循环伏安测试55-56
• 5.1.3 交流阻抗测试56-57
• 5.2 商业石墨/硅复合材料电化学性能测试和分析57-60
• 5.2.1 循环性能测试57-58
• 5.2.2 循环伏安测试58-60
• 5.2.3 交流阻抗测试60
• 5.3 石墨烯/硅复合材料电化学性能测试和分析60-64
• 5.3.1 循环性能测试60-62
• 5.3.2 循环伏安测试62-64
• 5.3.3 交流阻抗测试64
• 5.4 本章小结64-66
• 结论66-67
• 参考文献67-71
• 致谢71

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