锂离子电池硅碳负极材料制备与性能表征

发布时间：2017-11-18 03:02

  本文关键词：锂离子电池硅碳负极材料制备与性能表征

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【摘要】：锂离子电池是迅速发展起来的新型高能二次电池,主要是其具有诸多优点,随着在便携电子设备和动力汽车等方面应用的迅速发展,迫切需要研发更高的能量密度,更长的循环寿命及更低的制备成本的锂离子电池,其中能量密度是一个关键因素。电池的总体质量与正负极材料的容量紧密相关,目前正极材料,比容量均不超过374 mAh/g,这意味着提高整体电池的容量,我们必须将目光聚集到负极材料中。Si因其超高的理论比容量(3579mAh/g Li15Si4),低的嵌锂电位(小于0.5V Li/Li+),以及环保、储量丰富等备受关注,被认为下一代高性能锂离子电池负极材料。然而在嵌锂的过程中Si会形成有Li22Si4合金相,并伴有巨大的体积膨胀(400%),该过程中产生的机械应力造成材料坍塌、电极结构不稳定从而引起电化学性能下降,除此之外硅是半导体,电导率较低也会影响性能。解决该问题的主要方法有:对电池材料的改性,电解液的改进和对电极结构进行优化等。大量的研究主要集中在对电极材料的研究,改进的方法主要是减小硅材料的尺寸将其纳米化,添加缓冲物质制备复合材料或是选用多孔结构的材料。其中多孔材料因其本身的特殊结构,拥有空间可缓冲体积效应,从而获得长的循环寿命。本论文从硅碳复合材料的相关研究开始,接着探究多孔硅碳复合材料,包括多孔硅碳复合材料的设计与制备,多孔材料的调制及在多孔结构中引用不同的导电网络来稳定电极结构等,主要研究工作如下:1.硅碳复合材料的相关研究在该部分主要包括:1)硅碳复合材料的原料的筛选。2)材料性能的表征和电化学测试方法,包括几种表征材料的仪器和在电池测试中常用的方法介绍。3)原始材料进行筛选,包括硅源、有机碳源的筛选并探究氧化处理对硅粉性能的影响。2.多孔硅碳复合材料通过提前预埋SiO2站位,并在后续过程中经HF刻蚀除去,在硅碳复合物中获得孔洞,从而制备多孔硅碳复合材料。将硅粉,蔗糖,炭黑,二氧化硅制成浆料并通过喷雾干燥的方法制备球形颗粒,再经高温处理,刻蚀最终获得设计的复合材料。由于多孔结构比表面积较大所以会需要较多的粘结剂和导电剂,本论文尝试在按照常规8:1:1的比例不变的情况下,考察研究引入不同的导电剂(包括0维,1维,2维)对电池性能的影响。研究证明添加适当的导电剂VGCF和RGO可以很好的解决由于比表面积较大造成极片不稳定的问题。VGCF和RGO通过桥接颗粒,增加导电性的同时增加了多孔硅碳复合材料电池极片的稳定性,此外多孔结构由于其特殊的结构在硅体积膨胀中有空间可以来容忍其体积膨胀,减小了体积效应。3.通过预埋不同尺寸的二氧化硅颗粒,从而制备出具有不同尺寸孔洞的多孔硅碳复合材料。研究结果表明孔洞的尺寸越小电池的电化学性能越好,主要的原因是较小的孔洞可以均匀的分散在硅颗粒附近,留有足够的空间开容忍硅的体积膨胀。
【学位授予单位】：宁波大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912

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