硅基薄膜锂离子电池负极材料制备工艺及性能

发布时间：2020-11-01 14:13

　　 随着多功能电子器件的开发和电动车市场的不断成熟,科研界和企业界对开发高性能锂离子电池电极材料尤为关注。硅材料具有很高的放电比容量、低放电平台、丰富的地壳储量和友好的环保特性,是极具潜力的替代现有商业化石墨负极的电极材料。然而,硅材料诸多明显的缺点阻碍了其进一步发展为可靠的商业化负极。首先硅材料在充放电过程中产生的巨大体积变化(超过300%)将引起电极开裂、粉化和剥离,导致锂离子电池容量不断衰减直至完全失效。其次,较高的电阻率制约了硅材料容量释放,导致硅材料较差的倍率性能。针对以上问题,不少研究者通过构建纳米结构和复合其他材料的方式改善硅材料的循环性能。相比其他纳米结构,二维纳米薄膜直接在集流体上生长,避免了导电剂和粘结剂添加造成的容量损失。与一些新型的纳米结构相比,二维薄膜的制备工艺更加成熟,具有大规模生产的潜力。本文主要研究纯Si薄膜和Si-Zr复合薄膜作为锂离子电池负极材料。采用微波增强等离子体气相沉积技术制备了不同晶化率Si薄膜,采用射频磁控溅射技术制备了不同厚度的非晶硅薄膜和不同成分的Si-Zr复合薄膜,并且分析了薄膜成分、结构、电化学性能。本文重点研究了晶化率和薄膜厚度对纯Si薄膜循环性能的影响,研究了薄膜成分对Si-Zr复合薄膜循环性能和界面接触阻抗的影响,比较了纯Si和Si-Zr复合薄膜的倍率性能。研究结果表明,随着晶化率提高,Si薄膜负极材料循环稳定性不断变差,容量衰减迅速。非晶Si薄膜在循环过程中容量比较稳定,具有最高的容量保持率。随着薄膜厚度增加,Si薄膜循环过程中释放的应力增加,Si电极材料出现了更加严重的开裂和粉化现象,导致电极循环稳定性变差。Si-Zr复合薄膜的研究表明,Zr添加抑制了薄膜电极循环过程的开裂和粉化,提高了薄膜电极循环稳定性。随着Zr含量增加,Si-Zr复合薄膜负极循环稳定性不断提高。其中,Si_(71.3)Zr_(28.7)具有最佳的循环稳定性,300圈后容量保持率高达72%。电化学阻抗谱测试结果表明,随着Zr含量提高,Si-Zr复合薄膜界面接触电阻先降后增。Si_(86.3)Zr_(13.7)具有最低的界面接触阻抗,其对应的倍率性能优于纯Si薄膜,说明Si-Zr复合薄膜具有良好的倍率性能。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.2;TM912
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 锂离子电池研究背景
    1.2 锂离子电池工作原理
    1.3 锂离子电池特点
    1.4 锂离子电池结构
        1.4.1 锂离子电池正极材料
    1.5 锂离子电池负极材料
        1.5.1 碳基材料
        1.5.2 Sn基材料
        1.5.3 过渡金属氧化物
    1.6 硅基材料研究进展
    1.7 研究目的及内容
2 实验部分
    2.1 实验材料及设备
        2.1.1 实验药品和材料
        2.1.2 实验设备
    2.2 硅基薄膜样品制备
    2.3 薄膜样品表征手段
        2.3.1 薄膜成分表征
        2.3.2 薄膜结构表征
        2.3.3 薄膜形貌表征
    2.4 电池组装及电化学测试
        2.4.1 扣式锂离子电池组装
        2.4.2 电化学性能测试技术
3 纯Si薄膜负极材料及其电化学性能
    3.1 不同晶化率硅薄膜电化学性能
        3.1.1 物相与结构表征
        3.1.2 不同晶化率硅薄膜电化学特性与循环性能
    3.2 不同厚度非晶硅薄膜电化学性能
    3.3 本章小结
4 Si-Zr复合薄膜负极及其电化学性能
    4.1 薄膜负极成分及结构表征
    4.2 薄膜负极电化学性能表征
        4.2.1 恒流充放电曲线
        4.2.2 微分容量曲线
        4.2.3 电化学阻抗谱分析
        4.2.4 倍率性能分析
        4.2.5 循环后电极形貌
    4.3 本章小结
5 结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】

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1 章福平;纪勇;李安东;范昊;蒋圆闻;顾谌翟;;锂离子电池正极材料研究的新动向和挑战[J];化学通报;2011年10期

2 ;Lithium ion battery cathode material LiNi_yCo_zMn_(1-y-z)O_2[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2000年03期

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1 刘春静;锂离子电池锡基纳米负极材料制备及储锂性能[D];大连理工大学;2015年

本文编号：2865651