硅/碳复合锂离子电池核壳结构负极材料的制备及其电化学性能研究
发布时间：2022-01-21 19:58
鉴于当前电动汽车等产业对兼具高比能高比功二次电池的现实需求,而硅单质用于锂离子电池（LIB）的负极时,具有大的理论比容量（4000 mAh g-1以上）,因此如何将硅材料运用到锂电池中成为了研究热点。然而,单质硅在锂离子电池中,随着充放电的进行,体积膨胀幅度非常大（大于300%）,使得其表面无法形成稳定的SEI膜,锂离子随着SEI膜的不断更新而不再参与到电池的充放电循环过程,造成电池整体容量下降。而炭材料作为锂离子电池的负极,具有微孔丰富、强度高和导电能力强的优点,并且用来制备炭材料的前驱体来源广泛,易于根据需求进行改性,因此,本研究将纳米硅与炭材料复合,通过结构的设计合制备方法的优化对材料的性能进行探究,本论文的主要内容及结论如下:（1）具有不同厚度炭层核壳结构的硅碳复合材料的合成与电化学性能研究。通过将甲醛与间苯二酚反应生成的低分子量的间苯二酚甲醛树脂（RF）包覆在纳米硅（SiNPs）表面,碳化后得到共形包覆的硅碳复合材料,探究在RF包覆过程中表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的加入对材料形貌与循环性能的影响,以及不同RF的包覆量对共形包覆材料的电化学性能的影响。研究表明,...
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１锂离子电池内部工作原理示意图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｏｐｅｒａｔｉｏｎ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?ｌｉｔｈｉｕｍ?ｉｏｎ?ｂａｔｔｅｒｙ??
点，人们采用了各种方法解决它，比如通过??软炭包覆，氟化，金属包覆和表面氧化等［ＩＵ４］，而软炭包覆的对锂电池库伦效率和比容??量的提升作用最明显。Ｗａｎｇ等人［１４］对软炭包覆方案的碳化温度做了系统性研究。尽管??如此，硬炭的比容量与循环寿命仍有很大的提升空间。Ｌｉ等人［１５］通过将马铃薯淀粉作为??前驱体，得到含有很多微孔的硬炭，结果显示，其可逆容量高达５３０?ｍＡｈ?ｇ＇并且其??他电化学指标也非常优秀。Ｙａｎｇ等人１２２１通过蔗糖热解得到具有纳米尺寸微孔的硬炭，??材料形貌如图１．２所示，这些硬炭的容量高达５００?ｍＡｈ?ｇ＇并且循环性能与倍率性能也??比较优秀。纳米孔硬炭的分级孔结构可以促进锂离子的传输，使得材料的倍率性能非常??优秀。??Ｍｅｓｏｐｏｒｅ?Ｍｅｓｏｐｏｒｅ??Ｍａｃｒｏｐｏｒｅ?Ｍｉｃｒｏｐｏｒｅ??００?Ｗｗ??ａ?ｂ?ｃ??图１．２?（ａ）硬炭；（ｂ）中孔炭；（ｃ）分级孔炭结构示意图１２２１??Ｆｉｇ．?１．２?Ｐｏｒｏｕｓ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?（ａ）?Ｈａｒｄ?Ｃａｒｂｏｎ，?（ｂ）?Ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｓ?Ｃａｒｂｏｎ，?（ｃ）?Ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ?Ｐｏｒｏｕｓ??Ｃａｒｂｏｎ?１２２１??（２）碳纳米管??碳原子在一定条件下通过单向生长可以得到碳纳米管（ＣＮＴｓ）?［１６］。从共轴层的数??量看，碳纳米管有单层与多层之分。自从ＣＮＴｓ在上世纪末被发现，就被广泛地用于ＬＩＢ??的负极材料。实际上碳纳米管与其他活性材料复合制成的负极材料可显著提升ＬＩＢｓ的??负极性能，这是由于碳纳米管具有良好的导电能力、机械稳定性、热力学稳定性以及吸??附和传质
与硅形成合金Ｌｉ２２Ｓｉ５是制备高??性能电极的有效途径之一［４ｌＭ４］。此外，硅在放电时硅的电位接近于前一代的ＬＩＢ负极材??料石墨，在０．４?Ｖ?（ＶＳ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）。研宄者对硅负极的电化学锂化作用进行了深入的研究，??研究结果表明，在嵌锂过程中，硅与锂形成的ＬｉｘＳｉ是其具备高比容量的主要原因［４｜］。??然而硅在充放电过程中的剧烈体积变化（约有４００％）会造成循环容量迅速降低以及不??可的逆容量损失等缺点，这严重地限制了硅在ＬＩＢ负极材料中的应用。薄膜硅电极的粉??化过程如图１．５所示，相比较循环前，材料循环后的电极材料出现大量的裂纹，导致硅??从电极主体上脱离，造成循环性能的下降。??图１．５?（ａ－ｃ）分别在３、８和５０次循环后获得的电极表面形态的俯视ＳＥＭ图像（ｄ－ｆ）?３０次循环??后的ＳＥＭ图像（ａ－ｅ）比例尺为２０?ｆｉｍ?（ｆ）比例尺为３哗１９９１??Ｆｉｇ．?１．５?（ａ－ｅ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ?ｏｂｔａｉｎｅｄ?ａｆｔｅｒ?３，?８??ａｎｄ?５０?ｃｙｃｌｅｓ?ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ?（ｄ－ｆ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ??ｏｂｔａｉｎｅｄ?ａｆｔｅｒ?３０?ｃｙｃｌｅｓ?，?Ｓｃａｌｅ?ｂａｒ，?２０?ｍｍ?（ｄ－ｈ）?３?ｍｍ?（ｆ）．??在合金／去合金化过程中，ＬｉｘＳｉ的形成使ＳＥＩ膜的形成受到了抑制。为了解ＬＩＢｓ中??硅负极循环稳定性差的确切原因，研宄者采用原位
【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：3600865
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１锂离子电池内部工作原理示意图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｏｐｅｒａｔｉｏｎ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?ｌｉｔｈｉｕｍ?ｉｏｎ?ｂａｔｔｅｒｙ??
点，人们采用了各种方法解决它，比如通过??软炭包覆，氟化，金属包覆和表面氧化等［ＩＵ４］，而软炭包覆的对锂电池库伦效率和比容??量的提升作用最明显。Ｗａｎｇ等人［１４］对软炭包覆方案的碳化温度做了系统性研究。尽管??如此，硬炭的比容量与循环寿命仍有很大的提升空间。Ｌｉ等人［１５］通过将马铃薯淀粉作为??前驱体，得到含有很多微孔的硬炭，结果显示，其可逆容量高达５３０?ｍＡｈ?ｇ＇并且其??他电化学指标也非常优秀。Ｙａｎｇ等人１２２１通过蔗糖热解得到具有纳米尺寸微孔的硬炭，??材料形貌如图１．２所示，这些硬炭的容量高达５００?ｍＡｈ?ｇ＇并且循环性能与倍率性能也??比较优秀。纳米孔硬炭的分级孔结构可以促进锂离子的传输，使得材料的倍率性能非常??优秀。??Ｍｅｓｏｐｏｒｅ?Ｍｅｓｏｐｏｒｅ??Ｍａｃｒｏｐｏｒｅ?Ｍｉｃｒｏｐｏｒｅ??００?Ｗｗ??ａ?ｂ?ｃ??图１．２?（ａ）硬炭；（ｂ）中孔炭；（ｃ）分级孔炭结构示意图１２２１??Ｆｉｇ．?１．２?Ｐｏｒｏｕｓ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?（ａ）?Ｈａｒｄ?Ｃａｒｂｏｎ，?（ｂ）?Ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｓ?Ｃａｒｂｏｎ，?（ｃ）?Ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ?Ｐｏｒｏｕｓ??Ｃａｒｂｏｎ?１２２１??（２）碳纳米管??碳原子在一定条件下通过单向生长可以得到碳纳米管（ＣＮＴｓ）?［１６］。从共轴层的数??量看，碳纳米管有单层与多层之分。自从ＣＮＴｓ在上世纪末被发现，就被广泛地用于ＬＩＢ??的负极材料。实际上碳纳米管与其他活性材料复合制成的负极材料可显著提升ＬＩＢｓ的??负极性能，这是由于碳纳米管具有良好的导电能力、机械稳定性、热力学稳定性以及吸??附和传质
与硅形成合金Ｌｉ２２Ｓｉ５是制备高??性能电极的有效途径之一［４ｌＭ４］。此外，硅在放电时硅的电位接近于前一代的ＬＩＢ负极材??料石墨，在０．４?Ｖ?（ＶＳ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）。研宄者对硅负极的电化学锂化作用进行了深入的研究，??研究结果表明，在嵌锂过程中，硅与锂形成的ＬｉｘＳｉ是其具备高比容量的主要原因［４｜］。??然而硅在充放电过程中的剧烈体积变化（约有４００％）会造成循环容量迅速降低以及不??可的逆容量损失等缺点，这严重地限制了硅在ＬＩＢ负极材料中的应用。薄膜硅电极的粉??化过程如图１．５所示，相比较循环前，材料循环后的电极材料出现大量的裂纹，导致硅??从电极主体上脱离，造成循环性能的下降。??图１．５?（ａ－ｃ）分别在３、８和５０次循环后获得的电极表面形态的俯视ＳＥＭ图像（ｄ－ｆ）?３０次循环??后的ＳＥＭ图像（ａ－ｅ）比例尺为２０?ｆｉｍ?（ｆ）比例尺为３哗１９９１??Ｆｉｇ．?１．５?（ａ－ｅ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ?ｏｂｔａｉｎｅｄ?ａｆｔｅｒ?３，?８??ａｎｄ?５０?ｃｙｃｌｅｓ?ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ?（ｄ－ｆ）?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ??ｏｂｔａｉｎｅｄ?ａｆｔｅｒ?３０?ｃｙｃｌｅｓ?，?Ｓｃａｌｅ?ｂａｒ，?２０?ｍｍ?（ｄ－ｈ）?３?ｍｍ?（ｆ）．??在合金／去合金化过程中，ＬｉｘＳｉ的形成使ＳＥＩ膜的形成受到了抑制。为了解ＬＩＢｓ中??硅负极循环稳定性差的确切原因，研宄者采用原位
【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：3600865
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