硅碳复合材料结构调控及储锂性能研究

发布时间：2020-10-16 07:14

　　 硅材料具有很高的储锂容量,可以作为负极材料应用于高容量、高能量密度锂离子电池的开发,以满足日益增长的大容量、高功率用电终端的需求。但是,硅材料受到自身低电导率、高体积效应的影响,循环稳定性差,限制了它的产业化应用。寻求开发高比容量性能和良好循环性能兼具的硅基负极材料,是当前锂离子电池研发的热点方向之一。本论文采用溶剂热方法,以商用硅纳米颗粒为原料,以酚醛树脂为碳源,利用静电相互作用将硅纳米颗粒和高聚酚醛球相互结合,随后经过高温处理,制备了一种硅纳米颗粒均匀负载在碳微米球表面的新型硅碳复合材料(C@Si)。采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和热重分析(TG)等仪器表征C@Si材料的形貌与组成;通过恒流充放电测试、循环伏安测试、交流阻抗测试等方法分析C@Si材料的电化学性能。主要工作如下:(1)设计实验研究并选取溶剂热反应的条件。当设定溶剂热反应温度为160?C,盐酸添加量为75μL,体系醇-水比为10:20,溶剂热反应时间为5 h时,所制备得到的C@Si材料在0.2 A/g电流密度下的首周放电容量为1315 mAh/g,首周库伦效率为77.7%,在1 A/g电流密度下循环500周后容量保持在456 mAh/g,相比于硅和酚醛球的简单混合材料Si/C具有更好的循环稳定性和倍率性能。(2)改变氨基化硅与可溶性酚醛树脂的投料比,调控C@Si材料的比容量;改变C@Si材料中硅纳米颗粒和高聚酚醛球的结合强度,调控C@Si材料的循环性能。SEM分析和充放电测试表明由于碳球单位表面能牢固附着的硅纳米颗粒数量一定,因此C@Si材料的比容量越高,循环稳定性越差。当上述投料比为0.1 g:10 mL时得到的C@Si材料电化学性能比较好。(3)制备不同质量负载量的C@Si负极极片并表征容量性能。结果表明,在高质量负载条件下,C@Si材料能兼具高容量与良好的循环稳定性,在质量负载量为2.19 mg/cm~2时,C@Si负极极片在0.5 A/g电流密度下循环120周后可以保持1.464 mAh/cm~2的面容量。(4)制备多孔晶体锗并测试其储钠性能,对选题进行拓展。在空气中煅烧Mg_2Ge制备多孔晶体Ge,电化学测试表明在0.2 A/g电流密度下Ge的可逆储钠容量为90 mAh/g,高于块状硅和锗。
【学位单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB33;TM912
【部分图文】：

在充电的过程中，锂离子从正极脱出，经过电解液嵌入负极，负极处于富锂状态，而在放电时则进行相反的过程。图1-1 锂离子电池工作原理图[7]Figure 1-1. Schematic presentation of Li-ion battery以 LiCoO2/C 电池为例，其工作原理如图 1-1 所示[7]。充电时，由于外电压的存在，锂离子从正极 LiCoO2中脱出，穿过隔膜，到达负极并嵌入到石墨层之间，同时电子从正极由外电路转移到负极，使得电池正负极达到电荷平衡。放电过程则刚好相反，锂离子从负极石墨层中脱出，通过电解液进入正极生成LiCoO2，同时电子从负极由外电路转移到正极材料中，使得电池正负极达到电荷平衡。电池的电化学反应式可表示为：正极反应：LiCoO2Li1-xCoO2+ xLi++ xe-（1-1）负极反应：xLi++ xe-+ 6C LixC6（1-2）与其他二次电池相比锂离子电池主要有以下优点：开路电压高、能量密度高、输出功率高、无记忆效应、自放电小、工作温度范围宽、循环寿命长。因此锂离子电池在二次电池中具有很大竞争力。锂离子电池由正负极材料、电解液、隔膜、导电剂、粘结剂、集流体和外壳组成。锂离子电池所用电解液为 LiPF6、LiClO4等锂盐溶解在碳酸二甲酯（DMC）、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）等的若干混合有机溶剂中形成

图1-2 Li-Si合金相图[Li-Si][26]Figure 1-2. Lithium-silicon phase diagram硅负极存在的第一个问题目前主要从尺寸上进行改性，即将材料据不同的维度可将纳米硅分为硅纳米颗粒、硅纳米线和纳米管以2010 年，Jaephil Cho 课题组制备得到不同纳米尺寸的硅纳米颗测试[29]（图 1-3）：当硅材料的尺寸从 20 纳米减小到 10 纳米时。一维硅纳米线可以减小材料充放电过程中径向的体积变化同时传输的通道[30-32]。在集流体上可以直接生长硅纳米线，但是成产业化。二维硅基薄膜将厚度控制在纳米尺寸，可以减少与薄膜的体积膨胀从而保持材料的电化学稳定性，但是得到该结构的材射等工艺成本较高的方法，亦不利于产业化。当硅尺寸缩小到纳于缩短传输路径，间接提高离子和电子的传输速度，对于材料的的改善。 1-3 中，当材料尺寸从 10 nm 向 5 nm 减小时，电化学性能反而

浙江工业大学硕士学位论文6图1-3 （a）三种不同尺寸的硅纳米颗粒以及经过碳包覆后的首周充放电曲线；（b）上述四种材料的循环性能对比图 (右侧箭头从上往下分别为包碳后的10 nm, 包碳前的10 nm, 20nm, 5 nm)[29]Figure 1-3. (a) Voltage profiles of 5, 10, and 20 nm sized n-Si and 10 nm sized n-Si aftercarbon coating during the first cycle in coin-type half cells at a rate of 0.2 C between 0 and1.5 V. (b) Plot of charge capacity versus cycle number (from top to bottom: 10 nm aftercarborn coating, 10 nm, 20 nm, 5 nm)图1-4 不同结构硅材料表面SEI生长机理示意图[34]。Figure 1-4. Schematic of SEI formation on silicon surfaces.针对硅基材料表面生成的 SEI 膜不稳定的问题，目前的解决方法主要是在材
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 吴国君;胡箫笛;张守明;刘冬青;胡兴平;郭园园;石建颜;杨文龙;;碳化硅复合材料结构件的数控加工研究[J];机械制造;2019年11期

2 周秋萍;熊铃华;张克武;;复合材料结构冲击失效判定方法[J];计算机辅助工程;2019年04期

3 张承承;王建军;;基于刚度退化的复合材料结构损伤研究进展[J];材料导报;2016年21期

4 陈绍杰;;复合材料结构修理[J];高科技纤维与应用;2016年06期

5 卜小海;张泽武;杭祖圣;吴琼;王经逸;;《复合材料结构设计》的教学设计与实践[J];教育现代化;2017年06期

6 刘望子;汪心文;管海新;李萌;许漂;陈正生;;U型复合材料结构件热压罐固化变形及补偿技术应用研究[J];航空制造技术;2017年16期

7 熊蕾;胡仁伟;黄文俊;张纪奎;程小全;;复合材料结构热传导与热性能分析研究进展[J];高科技纤维与应用;2017年04期

8 马丽莎;赵海超;赵明;郭丹丹;刘贵芳;;某型飞机外侧前襟整体化复合材料结构研究[J];教练机;2016年01期

9 王凯歌;张新宇;;浅析复合材料在舰船建造中的应用前景[J];门窗;2014年10期

10 童方超;;复合材料结构件固化成型工艺参数控制[J];山东工业技术;2015年10期

相关博士学位论文 前10条

1 黄河源;基于多尺度方法的ZT7H/5429复合材料结构力学性能研究[D];西北工业大学;2018年

2 任元强;基于压电阵列的复合材料结构冲击轻量化监测研究[D];南京航空航天大学;2018年

3 史慧媛;格构增强轻木夹芯复合材料结构疲劳机理研究与寿命预测[D];东南大学;2018年

4 罗白璐;舰船复合材料结构“L”型连接节点的疲劳性能研究[D];中国舰船研究院;2018年

5 徐庚;基于率相关粘接界面模型的夹芯复合材料结构极限强度研究[D];武汉理工大学;2018年

6 许体文;天然橡胶中丙酮可溶物对其复合材料结构与性能的影响研究[D];华南理工大学;2017年

7 李亮;含离散源损伤复合材料结构失效行为研究[D];西北工业大学;2016年

8 何其佳;微波辐照对聚烯烃和氟树脂复合材料结构与性能影响的研究[D];四川大学;2005年

9 张立群;短纤维橡胶基复合材料结构—性能—应用技术研究[D];北京化工大学;1995年

10 周桢;聚合物/多壁碳纳米管复合材料结构与性能的研究[D];上海交通大学;2007年

相关硕士学位论文 前10条

1 杜凯;基于微纳传感器复合材料结构低速冲击损伤监测[D];沈阳航空航天大学;2019年

2 蒋远翔;复合材料结构可靠性的多尺度优化方法研究[D];国防科技大学;2017年

3 李晓阳;基于SiPESC的复合材料结构分析及强度校核研发[D];大连理工大学;2019年

4 朱丹凤;硅碳复合材料结构调控及储锂性能研究[D];浙江工业大学;2019年

5 朱丽莉;对民用飞机翼梢小翼复合材料结构适航符合性的研究[D];上海交通大学;2016年

6 杨智雄;夹芯复合材料结构振声特性分析及优化设计[D];华中科技大学;2019年

7 董大龙;含分层损伤复合材料结构的试验与有限元分析[D];上海交通大学;2017年

8 卫宇璇;周期性复合材料结构力学性能的多尺度分析[D];吉林大学;2018年

9 李屹;复合材料结构件全局-局部模型虚拟测试技术研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

10 顾继光;基于近场动力学的复合材料结构损伤分析[D];哈尔滨工程大学;2018年

本文编号：2842948