静电纺丝法设计和制备微米金属硅锂电池负极材料的性能研究

发布时间：2017-10-05 13:30

  本文关键词：静电纺丝法设计和制备微米金属硅锂电池负极材料的性能研究

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【摘要】：随着人类活动的范围的扩大,对能源的需求愈加强烈,但传统的化石能源的利用,却对我们的环境造成了深刻的影响,造成了很多环境公害的同时,也对人类自身繁衍产生了副作用,这就促使我们对新能源的利用展开研究。但风能、太阳能、水能和潮汐能等新能源的利用,通常会受到环境等条件的限制,我们需要一种可以调节供给端的不连续和需求端的峰谷变化的设备,而以锂离子二次电池为代表的二次电池就是其中非常重要的一种。在目前商用的锂离子电池中,负极是由石墨来充当的,石墨理论容量为372mAh/g,拥有优秀的循环稳定性,良好的导电性和廉价的成本,但对性能的追求让众多研究者不停追逐容量更高的负极材料。作为下一代潜力负极材料,硅的理论容量达到4200mAh/g,但其在嵌锂过程中会产生400%的体积膨胀,这会导致硅材料的粉末化,形貌破坏和SEI膜的增厚,再加上硅材料本身导电性不佳,这都会影响硅材料的电池性能。目前关于改善硅电极性能的方法主要集中在制备将硅材料纳米化或者设计复杂的类似于核壳的微结构限制硅的体积膨胀。但这些方法因为步骤复杂,所用的实验试剂较多,成本高昂,这为其工业化应用产生了巨大的阻碍。为了解决这一问题,本文首先选取了半导体工业中廉价的纯度98%的金属硅,将其粉碎到微米级别后,利用静电纺丝法这一设备低廉,制备简便的方法,制备Si/C复合材料,进行一系列的材料结构优化设计和制备方法探索。设计出了硅材料直接加入纺丝液中纺丝的硅碳材料,引入二氧化硅牺牲层创造硅材料膨胀空间的硅碳材料,核壳双针头双组份创造内部空间的硅碳材料,双针头静电纺丝静电喷雾双喷的硅碳材料,经过性能对比,我们发现在含硅20%的情况下,双针头静电纺丝静电喷雾双喷的硅碳材料首次循环可以达到63.01%,在100次循环之后仍能够保持71.2%的容量保持率,同时也拥有较好的倍率性能,以此为铺垫,为探索降低硅负极材料使用成本的研究者提供了方向。
【关键词】：锂离子二次电池 金属硅 硅负极材料 静电纺丝 硅碳复合材料
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912;TQ340.64
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-31
• 1.1 引言11-12
• 1.2 静电纺丝的设备和工作原理12-14
• 1.2.1 静电纺丝的基本设备12-13
• 1.2.2 静电纺丝的工作原理13-14
• 1.3 离子电池的发展历史和工作原理14-17
• 1.3.1 锂离子电池的发展历史14-15
• 1.3.2 锂离子电池的工作原理15-17
• 1.4 锂离子电池负极材料的发展现状17-29
• 1.4.1 碳基负极材料17-18
• 1.4.2 硅基负极材料18-20
• 1.4.3 硅碳复合材料20-27
• 1.4.4 静电纺丝技术在硅碳复合材料中的应用27-29
• 1.5 本论文的主要工作29-31
• 第二章 实验方法31-34
• 2.1 引言31
• 2.2 实验试剂31
• 2.3 实验仪器31-32
• 2.4 负极材料表征测试32-33
• 2.5 电化学性能测试33
• 2.6 小结33-34
• 第三章 静电纺丝法制作碳材料及低纯度硅材料负极性能的研究34-41
• 3.1 引言34
• 3.2 低纯度硅材料的制备34-37
• 3.2.1 实验流程34-35
• 3.2.2 材料表征35-36
• 3.2.3 电化学性能测试36-37
• 3.3 静电纺丝碳纤维的制备37-40
• 3.3.1 实验流程38
• 3.3.2 材料表征38-39
• 3.3.3 电化学性能测试39-40
• 3.4 小结40-41
• 第四章 静电纺丝法制作碳及低纯度硅复合结构负极材料的研究41-59
• 4.1 引言41
• 4.2 硅材料直接加入纺丝液中静电纺丝41-45
• 4.2.1 实验流程41-42
• 4.2.2 材料表征42-43
• 4.2.3 电化学性能测试43-45
• 4.3 引入二氧化硅牺牲层创造空间的静电纺丝硅碳材料45-49
• 4.3.1 实验流程45-46
• 4.3.2 材料表征46-47
• 4.3.3 电化学性能测试47-49
• 4.4 核壳双针头双组份静电纺丝制作核壳硅碳复合材料49-53
• 4.4.1 实验流程49-50
• 4.4.2 材料表征50-51
• 4.4.3 电化学性能测试51-53
• 4.5 双针头静电纺丝静电喷雾双喷制作硅碳复合材料53-58
• 4.5.1 实验流程53-54
• 4.5.2 材料表征54-55
• 4.5.3 电化学性能测试55-58
• 4.6 小结58-59
• 第五章 结论与展望59-62
• 5.1 结论59-61
• 5.2 展望61-62
• 参考文献62-67
• 攻读硕士学位期间学术成果67-68
• 致谢68-69

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