等离子体制备的纳米硅材料及光学和电化学性质的研究

发布时间：2020-07-30 12:48

【摘要】：伴随着社会的快速进步,硅半导体材料也随之发展。当下,传统的煤、石油、天然气等不可再生能源日渐减少,并伴随环境污染,导致各国都开始大力发展绿色能源和可再生能源。另外,半导体硅材料在微电子及光电子技术等领域的地位也举足轻重。因此对加大研究锂离子电池和光电材料提出了更高的需求。目前,锂离子电池负极商业石墨材料虽然性能稳定,但是其较低的理论比容量(372mAh/g)已经很难满足社会的需求,所以拥有较高理论容量的硅材料(4200 mAh/g)得到了人们广泛的关注。然而,硅材料在循环工作中伴随巨大的体积膨胀效应,制约了其商业化应用。另外,硅半导体材料属于间接带隙,自身发光效率极低,也很难直接应用在光电领域。为了解决以上问题,本论文开展高频热等离子体制备的纳米硅材料在光学性质方面的探索以及锂离子电池负极应用的研究。其主要内容如下:1、通过高频热等离子体的方法制备尺寸在40-100nm纳米硅材料。通过降低材料自身维度,调整硅自身的间接能带,以此分析反应器、刚玉、布袋和缸底不同部位收集硅材料的光学性质。扩展硅的带隙展宽到更宽的范围,发现它们在紫外波段、可见光波段以及红外波段都展现了不同性质。另外,探索纳米硅材料的光致发光效应。2、通过高能球磨的方法制备了一种类似豆荚状“包覆式”纳米硅碳复合材料。其复合材料作为锂离子电池的负极材料展现出了优异的电化学性能。其电极材料在0.1C电流密度下和在0.2C下的电流密度下分别呈现出的比容量为1162.2mAh/g和920.6mAh/g。特别地是,在0.1C的电流密度下循环超过200圈的条件下,其“包覆式”纳米硅碳复合材料的充放电比容量仍然可以保持在743.4mAh/g。3、通过二次球磨的方式将商业石墨引入上述所得硅碳复合材料中进行调控,制备了一种电化学性能更加卓越的碳包覆“流沙式”纳米硅材料。其所得硅碳复合材料在0.1C电流密度下呈现出的比容量为806.9mAh/g,并且在循环超过150圈的条件下,其硅碳复合材料的充放电比容量仍然可以保持一个高度稳定且呈微弱上升的趋势,整个循环中库伦效率始终在95%以上,从而呈现出更加优异的稳定性。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;TQ127.2;TM912
【图文】：

离子电池,工作原理,负极材料

Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋Ｌｉｔｈｉｕｍ邋Ｉｏｎ邋Ｂａｔｔｅｒｙ逡逑子电池的负极材料逡逑池的负极材料作为电池储锂的主体，在充放电循环中。负极材料的研宄和选取对锂离子表现出来的整个性的锂金属作为负极材料，随着循环次数增加会有锂枝极接触就导致了短路，出现了极大的安全隐患。碳材属作负极的安全问题。碳材料种类很多包括：石墨、碳类材料等等，石墨材料更是取得商业化的应用。［１４〗逡逑材料的储锂机制，负极材料整体可分为三大类：插入式的负极材料主要代表就是Ｌｉ４Ｔｉ５０１２［１５］和石墨。以石正极脱出的锂离子经电解液到达负极插入到石墨层间，程都会引起离子和电子电导率的明显变化，且石墨本化储锂机制的材料主要是硅和锗一类的材料。以硅为

形态图,纳米化,形态,负极材料

逦ｍｏｌｅｃｕｉｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑图１．１锂离子电池的工作原理［〗３】逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋Ｌｉｔｈｉｕｍ邋Ｉｏｎ邋Ｂａｔｔｅｒｙ逡逑１．３．３锂离子电池的负极材料逡逑锂离子电池的负极材料作为电池储锂的主体，在充放电循环中锂离子发生嵌逡逑入和脱出行为。负极材料的研宄和选取对锂离子表现出来的整个性能有决定性意逡逑义。如果单纯的锂金属作为负极材料，随着循环次数增加会有锂枝晶的出现，当逡逑刺穿隔膜与正极接触就导致了短路，出现了极大的安全隐患。碳材料的出现成功逡逑的解决了锂金属作负极的安全问题。碳材料种类很多包括：石墨、中间相碳、软逡逑碳类和一些硬碳类材料等等，石墨材料更是取得商业化的应用。［１４〗逡逑根据负极材料的储锂机制，负极材料整体可分为三大类：插入式、合金化和逡逑转换型。插入式的负极材料主要代表就是Ｌｉ４Ｔｉ５０１２［１５］和石墨。以石墨为例，在充逡逑放电过程中，正极脱出的锂离子经电解液到达负极插入到石墨层间，且锂离子在逡逑脱出和嵌入过程都会引起离子和电子电导率的明显变化

碳核,壳型,负极材料,锂离子

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