多孔硅基复合材料的制备及作为锂离子电池负极材料的应用
发布时间：2021-07-04 10:16
锂离子电池是一种广泛应用的二次电池。近年,电子消费产品和电动汽车的快速发展对其电池的能量密度和功率密度提出了越来越高的要求。提高能量密度的关键是研发更高容量的电极材料。硅由于其超高的理论比容量,成为最有潜力的下一代高容量负极材料之一。但由于硅在脱嵌锂过程中产生巨大的体积变化,导致其出现容量快速衰减等问题,因此硅负极的大规模实际应用仍面临挑战。多孔硅是具有独特网络状多孔性的硅材料,其结构内的孔隙为硅提供了向内膨胀的空间,缓冲了体积膨胀效应,其较大的比表面积可以增加与电解液的接触,网络状结构也为锂离子和电荷的传输提供了多条通道,是研究领域关注的焦点之一。本文主要以Mg2Si热氧化制备多孔硅的方法为基础,围绕多孔硅/碳结构的优化、碳源的选择、制备方法的改进、以及多孔硅和金属的复合等课题展开研究,取得的创新性结果如下:（1）对传统的多孔硅/碳制备工艺进行改进,采用了对Mg2Si热氧化产物先包碳再酸洗的办法,得到了碳笼包覆多孔硅的结构。碳笼与硅之间以及多孔硅内部的孔隙为硅的体积膨胀提供了空间,减小了硅向外膨胀时对碳层造成的压力,得到了一个相对较稳定的结构,增强碳笼稳定性的同时也稳定了外层的SEI...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．６嵌锂／脱锂循环过程中高容量活性物质（ａ）和电极（ｂ）的开裂；（ｃ）硅表面ＳＥＩ膜??的生成和变厚［Ｍ］??
ＳＥ１膜仍然存在不断破裂和再生的可能性，这一问题将消耗有限的锂源，降低库??伦效率，并影响循环和倍率性能［９３］。为此，崔屹课题组？在纳米管表面引入氧化??层，得到双壁硅纳米管负极。如图１．９所示，硅外壁包覆坚硬的氧化硅层，允许??锂离子通过的同时可以限制硅向外的膨胀，使得硅主要向内膨胀从而大大减轻对??外层ＳＥＩ膜的压应力，使得ＳＥＩ膜更加稳定。将得到的双壁硅纳米管进行锂电池??性能测试，得到了令人惊讶的循环和倍率性能：６０００个循环保持８５％的容量回??复
ｏ?２?４?６?８?１０??Ｃｙｃｌｅ?ｎｕｍｂｅｒ??图１．８?Ｃａ）硅薄膜、纳米颗粒和纳米线的循环前后示意图；（ｂ）硅纳米线前２０个循环的??充放电曲线；（ｃ）?Ｃ／２０的充放倍率下硅纳米线的循环曲线％」??Ｆｉｇ．?１．８?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ?ｃｈａｎｇｅｓ?ｂｅｆｏｒｅ?ａｎｄ?ａｆｔｅｒ?ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ?ｃｙｃｌｉｎｇ?ｆｏｒ?Ｓｉ??ａｎｏｄｅｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｆｏｎｎ?ｏｆ?ｆｉｌｍ，ｐａｒｔｉｃｌｅｓ?ａｎｄ?ｎａｎｏｗｉｒｅｓ；?（ｂ）Ｖｏｌｔａｇｅ?ｐｒｏｆｉｌｅｓ?ｆｏｒ?ｔｈｅ?ｆｉｒｓｔ?ａｎｄ?ｓｅｃｏｎｄ??ｇａｌｖａｎｏｓｔａｔｉｃ?ｃｙｃｌｅｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ＳｉＮ?Ｗｓ?ａｔ?ｔｈｅ?Ｃ／２０?ｒａｔｅ；?（ｃ）?Ｃａｐａｃｉｔｙ?ｖｅｒｓｕｓ?ｃｙｃｌｅ?ｎｕｍｂｅｒ?ｆｏｒ?ＳｉＮＷｓ?ａｔ??ｔｈｅ?Ｃ／２０?ｒａｔｅ?ｓｈｏｗｉｎｇ?ｔｈｅ?ｃｈａｒｇｅ?（ｓｑｕａｒｅｓ）?ａｎｄ?ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?ｃａｐａｃｉｔｙ?（ｃｉｒｃｌｅｓ）［、丄??喜的是，其在１５Ｃ（?＝?１５Ａ／ｇ）的大电流充放下，依然保持高容量和优异的循环性??能。接下来，为了硅纳米管的大规模制备，Ｚｈｅｎｈａｉ?Ｗｅｎ等＾利用对空心二氧化??硅管进行镁热还原的方法得到了大量的硅纳米管，该硅纳米管同样表现出优秀的??电化学性能，特别是优异的倍率性能：在１Ｃ和２Ｃ的电流充放下，其仍能表现??出１０００ｍＡｈ／ｇ和８４０ｍＡｈ／ｇ的可逆容量。??然而，筒单是空心的纳米管结构仍然不能完全解决硅的问题。它虽然减小了??机械应力
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂电池发展简史[J]. 黄彦瑜. 物理. 2007(08)
本文编号：3264602
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．６嵌锂／脱锂循环过程中高容量活性物质（ａ）和电极（ｂ）的开裂；（ｃ）硅表面ＳＥＩ膜??的生成和变厚［Ｍ］??
ＳＥ１膜仍然存在不断破裂和再生的可能性，这一问题将消耗有限的锂源，降低库??伦效率，并影响循环和倍率性能［９３］。为此，崔屹课题组？在纳米管表面引入氧化??层，得到双壁硅纳米管负极。如图１．９所示，硅外壁包覆坚硬的氧化硅层，允许??锂离子通过的同时可以限制硅向外的膨胀，使得硅主要向内膨胀从而大大减轻对??外层ＳＥＩ膜的压应力，使得ＳＥＩ膜更加稳定。将得到的双壁硅纳米管进行锂电池??性能测试，得到了令人惊讶的循环和倍率性能：６０００个循环保持８５％的容量回??复
ｏ?２?４?６?８?１０??Ｃｙｃｌｅ?ｎｕｍｂｅｒ??图１．８?Ｃａ）硅薄膜、纳米颗粒和纳米线的循环前后示意图；（ｂ）硅纳米线前２０个循环的??充放电曲线；（ｃ）?Ｃ／２０的充放倍率下硅纳米线的循环曲线％」??Ｆｉｇ．?１．８?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ?ｃｈａｎｇｅｓ?ｂｅｆｏｒｅ?ａｎｄ?ａｆｔｅｒ?ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ?ｃｙｃｌｉｎｇ?ｆｏｒ?Ｓｉ??ａｎｏｄｅｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｆｏｎｎ?ｏｆ?ｆｉｌｍ，ｐａｒｔｉｃｌｅｓ?ａｎｄ?ｎａｎｏｗｉｒｅｓ；?（ｂ）Ｖｏｌｔａｇｅ?ｐｒｏｆｉｌｅｓ?ｆｏｒ?ｔｈｅ?ｆｉｒｓｔ?ａｎｄ?ｓｅｃｏｎｄ??ｇａｌｖａｎｏｓｔａｔｉｃ?ｃｙｃｌｅｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ＳｉＮ?Ｗｓ?ａｔ?ｔｈｅ?Ｃ／２０?ｒａｔｅ；?（ｃ）?Ｃａｐａｃｉｔｙ?ｖｅｒｓｕｓ?ｃｙｃｌｅ?ｎｕｍｂｅｒ?ｆｏｒ?ＳｉＮＷｓ?ａｔ??ｔｈｅ?Ｃ／２０?ｒａｔｅ?ｓｈｏｗｉｎｇ?ｔｈｅ?ｃｈａｒｇｅ?（ｓｑｕａｒｅｓ）?ａｎｄ?ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?ｃａｐａｃｉｔｙ?（ｃｉｒｃｌｅｓ）［、丄??喜的是，其在１５Ｃ（?＝?１５Ａ／ｇ）的大电流充放下，依然保持高容量和优异的循环性??能。接下来，为了硅纳米管的大规模制备，Ｚｈｅｎｈａｉ?Ｗｅｎ等＾利用对空心二氧化??硅管进行镁热还原的方法得到了大量的硅纳米管，该硅纳米管同样表现出优秀的??电化学性能，特别是优异的倍率性能：在１Ｃ和２Ｃ的电流充放下，其仍能表现??出１０００ｍＡｈ／ｇ和８４０ｍＡｈ／ｇ的可逆容量。??然而，筒单是空心的纳米管结构仍然不能完全解决硅的问题。它虽然减小了??机械应力
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂电池发展简史[J]. 黄彦瑜. 物理. 2007(08)
本文编号：3264602
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