锂离子电池高比能硅碳复合负极材料制备及性能研究

发布时间：2020-10-20 15:25

　　 在日益严重的环境污染和石油资源枯竭的双重压力下,寻找一种新的绿色可再生能源替代现有的化石能源已成为人类的迫切需要。由于诸多性能的优势,锂离子电池1991年成功商业化后,短短10年内,便在人类生活的各个领域得到了广泛的应用,被认为是解决人类能源和环境双重危机的最有效途径之一。尽管经过20多年的研究开发,锂离子电池仍然是以石墨作为负极材料,而石墨类材料本身存在比容量低的缺陷,阻碍了锂离子电池比容量的进一步提高。因此想要提高现有锂离子电池比容量,使其在更多的领域得到应用,就需要改良现有的石墨负极体系。经过20多年的研究,研究人员发现了目前比容量最高的负极活性材料硅基负极,但是硅负极存在体积膨胀巨大、SEI膜易被破坏等缺点。所以研究人员想复合硅基负极材料和石墨负极材料,结合石墨负极材料的电化学稳定性和硅基负极比容量高的优势,制备出兼备两者优良性能的下一代锂离子负极材料。为了充分了解现有的商业化硅碳负极材料的制备工艺、组成成分和电化学性能,本文选择了四家硅碳负极生产商的硅碳负极材料,制备成标准的CR2032纽扣电池,控制实验变量,进行比对实验,通过一系列表征手段和电化学性能测试,我们发现,现有的商业化硅碳负极材料主要是通过纳米级的硅颗粒或者一氧化硅颗粒与石墨或者无定形进行机械复合制备而成,其中硅元素占比3%~50%不等,当硅元素占比过高时,硅碳负极的循环稳定性和倍率性能明显降低。为了进一步探讨现有的主流粘结剂对于不同质量比的硅碳负极材料性能的影响,本文设置了正交实验组,做了大量的基础实验来探究不同粘结剂在硅碳复合负极制备过程中的效果。结果发现,在硅含量低于5%时,使用CMC+SBR的水系粘结能有效保证电极的循环首效和循环稳定性,而当硅含量超过20%时,使用PAA+NMP的油系粘结剂能明显提高电极的首效和可逆比容量。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB33;TM912
【部分图文】：

图 1-2：锂离子电池主要组成成分Figure 1-2: Main components of a lithium ion battery池工作原理如图 1-3 所示，其反应实质是一个锂离子锂离子电池（正极材料为 LiCoO2，负极材料为石墨）工作原理，充电时，锂离子从 LiCoO2正极中脱出，进入下，进入石墨负极，此时 LiCoO2正极脱锂，石墨负极电子运动方向与锂离子方向相反；放电时，锂离子从解液中，进入 LiCoO2 正极，外部电子运动方向相反，墨负极脱锂。如此反复循环，实现锂离子在正负极间路中会有相同数量的电子来回运动。该电池总电化学如式 1-3~式 1-5 所示

图 1-3：商业化锂离子电池工作原理图[32]Figure 1-3: Working principle of commercial lithium-ion battery正极：LiCoO2= xLi++xe-+ Li1-xCoO2(式 1-3)负极：C+xLi++xe-=LixC6(式 1-4)反应总方程式：LiCoO2+C= Li1-xCoO2+ LixC6(式 1-5)1.3 锂离子电池正极材料正极是锂离子电池的五大组成部分之一，在锂离子的循环过程中，正极材料不仅要提供在正负极来回循环的锂离子，还要为负极活性物质提供形成固态电解质（SEI）膜消耗的锂[33]。锂离子电池生产成本中，正极材料占所有成本的40%左右，所以电池的生产成本主要受正极材料成本的影响[34]。根据锂实际应用需求，能够满足以下要求的正极材料才算是理想的锂离子电池正极材料：

图 1-4：LiCoO2晶体结构图[38]Figure 1-4: Crystal structure diagram of LiCoO2正极材料晶石结构，电极点位高，它的理论比容量只有 120 mAh/g[39]，是一种被认为有很大希望替代的锂离子电池正极材料，LiMn2O4晶体结构如图 1-5：LiMn2O4晶体结构图[39]
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 申晨;王怀国;;我国锂离子电池产业技术发展概况[J];新材料产业;2019年09期

2 周晓吉;刘婷婷;;锂离子电池隔膜材料的制备及其研究进展[J];电池工业;2019年05期

3 黄云辉;;锂离子电池:20世纪最重要的发明之一[J];科学通报;2019年36期

4 ;2019年诺贝尔化学奖揭晓，奖励锂离子电池研究[J];宁波化工;2019年04期

5 鲁桃;程洁红;;溶剂萃取分离废锂离子电池中的钴[J];江苏理工学院学报;2019年06期

6 晏婷婷;郭小明;;废旧锂离子电池回收处理技术的研究进展[J];江西化工;2018年06期

7 杨杰;王婷;杜春雨;闵凡奇;吕桃林;张熠霄;晏莉琴;解晶莹;尹鸽平;;锂离子电池模型研究综述[J];储能科学与技术;2019年01期

8 高飞;朱艳丽;齐创;王松岑;杨凯;;锂离子电池安全事故激源浅析[J];电源技术;2019年03期

9 黄兵;;高电压锂离子电池组充电模式改造方案——锂离子电池管理研究之二[J];中国金属通报;2018年12期

10 黄红军;张晓雪;;回收废旧锂离子电池中有价组分的研究现状[J];电源技术;2019年04期

相关博士学位论文 前10条

1 黄保军;锂离子电池阳离子无序岩盐结构正极材料的研究[D];中国地质大学;2019年

2 饶江宇;硅锡基线状电极及纤维型锂离子电池设计、制备和电化学性能研究[D];华中科技大学;2019年

3 吴若飞;三维自组装高性能锂离子电池电极材料研究[D];上海交通大学;2017年

4 陈驰;锂离子电池钛基负极材料钛酸锌锂的合成及其改性研究[D];天津大学;2017年

5 杨川宁;锂离子电池石墨烯基复合负极材料的合成及电化学性能研究[D];东北大学;2017年

6 朱佩佩;过渡金属磷化物制备及其在电化学储能领域的应用[D];南昌大学;2019年

7 张俊超;锂离子电池外壳铝合金的显微组织与性能研究[D];上海交通大学;2016年

8 陈丁琼;锂离子电池硅/碳负极材料的研究[D];厦门大学;2017年

9 刘倩倩;锂离子电池负极析锂机制及抑制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

10 李俊夫;锂离子电池热耦合简化第一原理模型及SOC估计[D];哈尔滨工业大学;2018年

相关硕士学位论文 前10条

1 张小慧;锂离子电池富锂正极材料的表面改性研究[D];湘潭大学;2019年

2 胡钦;中空核壳结构铁氧化物/碳纳米复合材料的制备及在锂离子电池中的应用[D];扬州大学;2019年

3 高铭;碳包覆过渡金属氧化物/磷化物的制备与储锂性能研究[D];湘潭大学;2019年

4 李彩生;充放电条件下硅碳电极原位变形观测及力-化耦合机理分析[D];湘潭大学;2019年

5 张义;锂离子电池无序富锂正极材料的制备与改性研究[D];湘潭大学;2019年

6 张鹏宇;硅@碳复合材料在高性能锂离子电池中的应用[D];湘潭大学;2019年

7 朱成勇;动力锂离子电池SOC与SOH估算方法研究[D];重庆邮电大学;2019年

8 李玲;锂离子电池耐高温PVDF-HFP基复合隔膜的制备与性能研究[D];湘潭大学;2019年

9 张爽;锂离子电池正极用基于聚苯胺和聚吡咯的PTC电极研究[D];湘潭大学;2019年

10 唐潇;碳基-过渡金属硫/硒化物复合材料的合成及其在锂离子电池中的应用[D];扬州大学;2019年

本文编号：2848848