锂离子电池硅基薄膜负极的制备及其电化学性能

发布时间：2017-09-21 16:48

  本文关键词：锂离子电池硅基薄膜负极的制备及其电化学性能

  更多相关文章： 锂离子电池 磁控溅射 Si-Ti薄膜负极 电化学性能 有限元分析

【摘要】：硅具有已知最高的嵌锂容量(4200mAh/g),被认为是最有潜力取代碳材料的下一代锂离子电池负极材料。硅作为负极材料所面临的最主要问题是在嵌锂和脱锂过程中体积膨胀收缩(300%)和收缩,导致电极材料的粉化和差的循环性能。薄膜电极材料因其具有较为稳定的结构以及不需要导电剂和添加剂等优势而极具研究价值。在本文中,采用磁控溅射法制备了纯硅和Si-Ti双层薄膜负极材料,研究了薄膜负极的组织结构和电化学性能。并建立相应的数值模型,采用ANSYS有限元分析软件模拟锂离子在硅薄膜负极中扩散产生的应力应变以及失效机制。首先,研究了溅射功率对硅薄膜负极的组织结构和电化学性能的影响,结果表明随着溅射功率的增大,薄膜电极的首次不可逆容量越来越小,而循环稳定性有一个先下降后上升的趋势,400次循环后,溅射功率分别为100W、150W、200W的硅薄膜负极的可逆比容量分别为48%、29%、54.4%。其次,研究了磁控溅射过程中基底加热处理对薄膜负极电化学性能的影响。结果表明:Si 290nm 300℃薄膜循环500次后的可逆比容量达1536mAh/g,远高于未加热处理的Si 290nm薄膜的538mAh/g;Si 150W 300℃薄膜的锂离子扩散系数6.88*10-8cm2/s也高于Si 150W薄膜的4.96*10-8cm2/s;而经过400次循环后Ti 15nm-Si 290nm 300℃薄膜负极的容量保持率62.6%也高于Ti15nm-Si 290nm薄膜负极的46.2%。说明基底加热处理可以增强硅膜层与基底的界面结合力,提高Li+扩散动力学,从而提高纯硅和Si-Ti双层薄膜负极的电化学性能。接着,研究了Si-Ti双层薄膜负极的制备工艺、组织结构和电化学性能。在0.5mA/cm2的电流密度下,400次充放电循环后,Ti15nm-Si290nm双层薄膜的可逆比容量为1191mAh/g,剩余可逆比容量为42%,高于Si 290nm薄膜的13.7%。升高到电流密度达1.2mA/cm2时,Si 290nm薄膜已经不能放出容量,而Ti 15nm-Si 290nm薄膜在400次循环后依然还有447mA/g的比容量。表明Ti层不仅增加薄膜大的导电性,更重要的是可以缓冲硅的体积膨胀效应以及提高膜层结合力,使得Si-Ti双层表现出较优良的电化学性能。实验结果也表明无论是以铜箔的粗糙面还是光滑面为基体,Ti层厚度对Si-Ti双层薄膜负极的循环稳定性的影响较小。基于传热与离子扩散方程的相似性,采用ANSYS有限元分析软件中的结构热耦合模块模拟了锂离子扩散产生的应力应变行为。模拟结果表明:在嵌锂过程中,Ti0Si20、Ti0.5Si20、Ti1Si20、Ti2Si20、Ti3Si20这5个不同的Ti-Si厚度比薄膜的最大应力应变基本保持不变;而在脱锂过程中,Ti0Si20的最大应变大于4种Si-Ti薄膜,而随着Ti层厚度增加,最大应力应变基本保持不变。结合嵌锂和脱锂过程可知本文的模拟结果与实验结果匹配较好。
【关键词】：锂离子电池 磁控溅射 Si-Ti薄膜负极 电化学性能 有限元分析
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 引言11-12
• 1.2 锂离子电池工作原理12-13
• 1.3 正极材料13-14
• 1.4 电解质14-15
• 1.5 隔膜15
• 1.6 负极材料15-24
• 1.6.1 碳负极材料16-17
• 1.6.2 锡基负极材料17-18
• 1.6.3 硅基负极材料18-24
• 1.7 电极材料的失效机制24-26
• 1.8 本文研究的意义和主要内容26-27
• 1.8.1 研究意义26
• 1.8.2 研究内容26-27
• 第二章 实验方法与电极应力应变的数值模型27-37
• 2.1 引言27
• 2.2 薄膜制备方法与实验设备27-32
• 2.2.1 磁控溅射法镀膜27-28
• 2.2.2 Mantis磁控溅射系统28-30
• 2.2.3 膜层厚度的测定方法30-32
• 2.3 薄膜结构与性能分析32-33
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）分析32
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）分析32
• 2.3.3 电化学性能测试32-33
• 2.4 薄膜负极失效机制的ANSYS模型分析33-37
• 2.3.1 模型分析33-35
• 2.3.2 有限元法及ANSYS软件简介35-37
• 第三章 硅薄膜负极的结构和电化学性能37-49
• 3.1 引言37
• 3.2 试验方法37-38
• 3.3 硅薄膜的结构特征38-39
• 3.4 硅薄膜负极的电化学性能39-48
• 3.4.1 溅射功率对硅薄膜负极的影响40-43
• 3.4.2 热处理对硅薄膜的影响43-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第四章 Si-Ti双层薄膜负极的电化学性能49-60
• 4.1 引言49-50
• 4.2 Si-Ti双层薄膜负极的电化学性能50-52
• 4.3 不同Ti层厚度对Si-Ti双层薄膜负极的电化学性能的影响52-56
• 4.3.1 以铜粗糙面为基体52-55
• 4.3.2 以铜箔光滑面为基体55-56
• 4.4 热处理对Si-Ti双层薄膜负极的电化学性能56-58
• 4.5 本章小结58-60
• 第五章 Si-Ti双层薄膜负极应力应变的有限元模拟60-68
• 5.1 引言60
• 5.2 嵌锂过程60-64
• 5.3 脱锂过程64-66
• 5.4 本章小结66-68
• 全文总结和工作展望68-71
• 1 全文总结68-69
• 2 工作展望69-71
• 参考文献71-80
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果80-81
• 致谢81-82
• 附件82

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