锂离子电池用碳硅复合材料的制备与应用研究
发布时间：2021-09-18 17:16
当今社会对能源储存的需求日益迫切,锂离子电池因其具有储能密度高、使用寿命长、额定电压高等优点而被广泛运用。负极材料是决定锂电容量的关键因素。目前,商业化的锂离子电池常用的负极材料是石墨等碳系材料,但碳类负极材料的比容量较低,很难适应人们对高能锂电的要求。而硅负极具有理论比容量、低脱嵌锂电压、储量丰富、环保等优点,有望成为下一代高能锂电的负极材料。但是,硅负极商业化仍具有以下挑战:（1）随着锂离子的脱嵌,硅的体积膨胀可达300%以上,造成负极活性物质结构坍塌,锂电的循环性能衰减;（2）粉碎的硅负极与电解液和锂离子持续生成SEI膜,造成不可逆的容量损失;（3）硅在常温下的电导率较低,使锂离子脱嵌时受到较大的阻力。针对以上问题,本实验分别研制了微米级掺杂硅、纳米级掺杂硅和掺杂石墨,通过使用高温热解、球磨和细胞粉碎方法等制备不同的碳硅复合材料,取得以下结论:（1）相比于使用碳-微米级未掺杂硅的锂电,使用碳/微米级n型掺杂和p型掺杂硅负极的锂电内阻均下降了34?至114?,并且首圈放电比容量容量增加了136.6 mAh/g至517.0 mAh/g;（2）碳纳米管-碳包覆硅的结构能够有效改善硅负极...
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池充放电的基本原理[8]
2质制造的电解液。锂离子电池的发展可以追溯到20世纪70年代末，始于“摇椅式电池”理论的提出[4]，即利用具有不同电位的材料分别作为正负极，从而使锂电子能在正负极之间来回的移动。这一猜想随后被迅速采纳，锂化二氧化钨、二硫化钛材料被用于锂离子电池的制备，这一研究成果大大地提高了电池的循环寿命[5]。上世纪80年代，Goodenough等人[6]创造性地发现当锂合金金属氧化物具有NaFeO2结构时，在相对较高的电位下能够可逆地嵌入/脱出锂离子，基于这一理论，LixCoO2等层状氧化物正极材料被科学家们成功应用。1991年，索尼公司将LiCoO2作为活性正极材料、石油焦作为负极材料的锂离子电池体系正式商业化，这标志着锂离子电池的商业化拉开帷幕[7]。锂离子电池的基本结构与工作原理如下图1所示[8]，锂离子电池由正极、负极、隔膜及电解质四个基本组件构成。工作时，锂离子在正负电极材料间嵌入/脱出，并随充放电，可逆地循环往复。电池放电时，金属锂失去电子生成Li+后从负极材料中脱出并在电解液中迁移，透过隔膜最终嵌入到正极材料中。电池充电时锂离子的运动则经历相反的过程。以钴酸锂正极和石墨负极组成的锂离子电池为例，其原理反应方程式如下[9]：正极：(1.1)负极：(1.2)总反应：(1.3)图1锂离子电池充放电的基本原理[8]图2为锂离子电池主要的三种包装类型[10]。其中圆柱形电池组件缠绕更紧密，所以体积能量密度更高，比其他两种类型高约20%[11-12]，在动力电池领域应
3用较多。而棱柱型电池及软包电池则受利于小的死体积和高的设计自由度，被广泛地应用于小型化、便携式电子设备中。图2三种商业化电池结构图:(a)圆柱型电池;(b)棱柱型电池;(c)软包电池[10]1.2.2锂离子电池的结构锂离子电池主要由正负极材料、电解液、隔膜、粘结剂、集流体、正负极耳及封装材料等物件组成。其中正负极材料、电解液和隔膜是目前锂离子的电池性能研究的关键部分。正负极材料是能够多次脱嵌锂离子的活性物质。正极大多是过渡金属氧化物，比如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍锰酸锂、三元镍钴锰锂、三元镍钴铝锂及富锂锰基材料[13-20]，它们具有较高的氧化还原电位。相比之下，负极则是氧化还原电位较低的活性材料，比如碳系材料、硅基材料、钛基氧化物等。电解液在电池中起到电荷传递的作用，是正负极活性物质间的传输介质。锂离子电池的电解液由多种复合型有机溶剂、电解质锂盐和相关添加剂构成[21-22]，一般为溶有锂盐的碳酸酯类有机溶剂，锂盐主要有LiPF6、LiClO4、LiAsF6和LiBF4等。隔膜则处于正负极之间，起到防止正负极接触而导致电池短路的作用。同时，隔膜需要允许锂离子通过[23-27]。隔膜在锂离子电池中属于非活性组分，但是隔膜的原材料、制备工艺以及对应的孔结构和厚度等因素与锂离子电池的电化学性能及安全性紧密相关。具体地，锂离子电池用隔膜需要满足以下要求：化学稳定性好、尺寸稳定性好、机械强度高、良好的浸润性、合适的孔隙率、合适的孔径大小和孔径分布、合适的厚度、优异的热稳定性和热关闭性、降低成本[28-29]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]储能技术及应用发展现状[J]. 杨卫明,胡岩,殷新建,彭寿. 建材世界. 2019(05)
[2]储能技术应用场景和发展关键问题[J]. 张东辉,徐文辉,门锟,张树卿,卢嗣斌. 南方能源建设. 2019(03)
[3]高性能氮掺杂石墨烯的制备及其储锂性能[J]. 沈进冉,郭翠静,陈赫,周淑琴,徐斌,官亦标. 储能科学与技术. 2019(06)
[4]微米级硅/碳复合材料的结构与储锂性能[J]. 潘庆瑞,左朋建,木天胜,尹鸽平. 电池. 2018(04)
[5]储能技术发展综述[J]. 李佳琦. 电子测试. 2015(18)
硕士论文
[1]锂离子电池硅碳负极材料的制备及其脱嵌锂性能研究[D]. 曹志颖.大连海事大学 2017
[2]锂离子电池硅基负极材料的制备与性能研究[D]. 孙伟.兰州理工大学 2016
本文编号：3400530
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池充放电的基本原理[8]
2质制造的电解液。锂离子电池的发展可以追溯到20世纪70年代末，始于“摇椅式电池”理论的提出[4]，即利用具有不同电位的材料分别作为正负极，从而使锂电子能在正负极之间来回的移动。这一猜想随后被迅速采纳，锂化二氧化钨、二硫化钛材料被用于锂离子电池的制备，这一研究成果大大地提高了电池的循环寿命[5]。上世纪80年代，Goodenough等人[6]创造性地发现当锂合金金属氧化物具有NaFeO2结构时，在相对较高的电位下能够可逆地嵌入/脱出锂离子，基于这一理论，LixCoO2等层状氧化物正极材料被科学家们成功应用。1991年，索尼公司将LiCoO2作为活性正极材料、石油焦作为负极材料的锂离子电池体系正式商业化，这标志着锂离子电池的商业化拉开帷幕[7]。锂离子电池的基本结构与工作原理如下图1所示[8]，锂离子电池由正极、负极、隔膜及电解质四个基本组件构成。工作时，锂离子在正负电极材料间嵌入/脱出，并随充放电，可逆地循环往复。电池放电时，金属锂失去电子生成Li+后从负极材料中脱出并在电解液中迁移，透过隔膜最终嵌入到正极材料中。电池充电时锂离子的运动则经历相反的过程。以钴酸锂正极和石墨负极组成的锂离子电池为例，其原理反应方程式如下[9]：正极：(1.1)负极：(1.2)总反应：(1.3)图1锂离子电池充放电的基本原理[8]图2为锂离子电池主要的三种包装类型[10]。其中圆柱形电池组件缠绕更紧密，所以体积能量密度更高，比其他两种类型高约20%[11-12]，在动力电池领域应
3用较多。而棱柱型电池及软包电池则受利于小的死体积和高的设计自由度，被广泛地应用于小型化、便携式电子设备中。图2三种商业化电池结构图:(a)圆柱型电池;(b)棱柱型电池;(c)软包电池[10]1.2.2锂离子电池的结构锂离子电池主要由正负极材料、电解液、隔膜、粘结剂、集流体、正负极耳及封装材料等物件组成。其中正负极材料、电解液和隔膜是目前锂离子的电池性能研究的关键部分。正负极材料是能够多次脱嵌锂离子的活性物质。正极大多是过渡金属氧化物，比如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍锰酸锂、三元镍钴锰锂、三元镍钴铝锂及富锂锰基材料[13-20]，它们具有较高的氧化还原电位。相比之下，负极则是氧化还原电位较低的活性材料，比如碳系材料、硅基材料、钛基氧化物等。电解液在电池中起到电荷传递的作用，是正负极活性物质间的传输介质。锂离子电池的电解液由多种复合型有机溶剂、电解质锂盐和相关添加剂构成[21-22]，一般为溶有锂盐的碳酸酯类有机溶剂，锂盐主要有LiPF6、LiClO4、LiAsF6和LiBF4等。隔膜则处于正负极之间，起到防止正负极接触而导致电池短路的作用。同时，隔膜需要允许锂离子通过[23-27]。隔膜在锂离子电池中属于非活性组分，但是隔膜的原材料、制备工艺以及对应的孔结构和厚度等因素与锂离子电池的电化学性能及安全性紧密相关。具体地，锂离子电池用隔膜需要满足以下要求：化学稳定性好、尺寸稳定性好、机械强度高、良好的浸润性、合适的孔隙率、合适的孔径大小和孔径分布、合适的厚度、优异的热稳定性和热关闭性、降低成本[28-29]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]储能技术及应用发展现状[J]. 杨卫明,胡岩,殷新建,彭寿. 建材世界. 2019(05)
[2]储能技术应用场景和发展关键问题[J]. 张东辉,徐文辉,门锟,张树卿,卢嗣斌. 南方能源建设. 2019(03)
[3]高性能氮掺杂石墨烯的制备及其储锂性能[J]. 沈进冉,郭翠静,陈赫,周淑琴,徐斌,官亦标. 储能科学与技术. 2019(06)
[4]微米级硅/碳复合材料的结构与储锂性能[J]. 潘庆瑞,左朋建,木天胜,尹鸽平. 电池. 2018(04)
[5]储能技术发展综述[J]. 李佳琦. 电子测试. 2015(18)
硕士论文
[1]锂离子电池硅碳负极材料的制备及其脱嵌锂性能研究[D]. 曹志颖.大连海事大学 2017
[2]锂离子电池硅基负极材料的制备与性能研究[D]. 孙伟.兰州理工大学 2016
本文编号：3400530
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