锂离子电池硅基碳复合材料的结构设计及其性能研究

发布时间：2020-03-28 03:59

【摘要】：电动汽车的发展迫切需要锂离子电池取得突破性的进展。硅基负极材料因其具有较高的理论容量被寄予厚望。近年来为了更好的和高容量的正极材料相匹配,在石墨负极材料中逐渐引入一定含量的硅材料。但当前商业化的硅碳负极材料中硅含量较低导致其比容量仍然低于500 mAh g~(-1)。较高含量的硅碳复合材料仍然遭受巨大的体积膨胀问题,使得硅材料粉化,导致材料的导电性差,循环稳定性和倍率性能快速衰减。为解决这一问题本文通过制备卵黄-壳结构的硅碳复合材料、类石榴结构的二氧化硅/生物质炭复合材料来缓解硅的体积膨胀问题。同时在电解液中引入电解液添加剂以促进稳定的固体电解质膜的形成。使用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、氮气吸脱附测试等表征手段来探究复合材料的形貌、结构特征以及孔隙率等。通过恒电流充放电测试来研究卵黄-壳结构的设计、氮掺杂碳、孔隙率等对硅基碳复合材料的电化学性能的影响。研究内容如下:(1)Si/Void/C复合材料以100 nm左右的硅粉为原材料,通过简单的溶胶-凝胶法在碱性条件下水解硅酸四乙酯包覆一层二氧化硅在硅纳米颗粒的表面作为中空层的模板,然后水热碳化葡萄糖包覆一层无定形碳在Si/SiO_2表面,最后刻蚀掉二氧化硅层即可得到卵黄-壳结构的Si/Void/C复合材料。本章研究了中空结构的构筑以及电解液添加剂对Si/Void/C复合材料电化学性能的影响。研究表明卵黄-壳结构的设计以及电解液添加剂的使用极大的提高了硅纳米颗粒的电化学性能,其首次库伦效率可达到82%以上,在0.2 C下循环200次后,其比容量仍能保持在1594.5 mAh g~(-1)。(2)Si@Void@NC复合材料以50 nm左右的硅粉为原材料,同样通过水解硅酸四乙酯包覆二氧化硅层作为模板,然后在碱性条件下使盐酸多巴胺搅拌自聚合来包覆一层氮掺杂碳层以此进一步提高硅纳米颗粒的导电性。最后通过去模板得到Si@Void@NC复合材料。本章研究了中空结构的构筑以及不同合成方法对复合材料电化学性能的影响。研究表明中空结构的构筑可有效缓解硅的体积膨胀,保证良好的循环稳定性。同时研究表明通过简单的自聚合合成的Si@Void@NC比水热法合成的Si/Void/NC展现出更好的导电性和更高的循环比容量。Si@Void@NC复合材料首次库伦效率可达到79.29%,在0.2 C下循环50圈后比容量仍然能够达到2331.4 mAh g~(-1)。(3)SiO_2@MNPC复合材料以鸡蛋为碳源,加入水和乙醇稀释并搅拌均匀,再用浓氨水调节溶液pH后滴加硅酸四乙酯,直接在鸡蛋溶液中水解生成二氧化硅。最后经过冷冻干燥,高温煅烧后,选择性刻蚀即可得到SiO_2@MNPC复合材料。本章研究了氮磷掺杂以及孔隙率对复合材料循环性能的影响。研究表明,这种类石榴结构的三维SiO_2@NPC复合材料通过选择性刻蚀以后可提高孔隙率从而增强其电化学性能。SiO_2@MNPC复合材料在500 mA g~(-1)的电流密度下循环1000次后比容量仍然能够达到373 mAh g~(-1)。
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锂离子电池,工作原理图

江苏大学硕士学位论文丙烯酯（PC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）等，，通常取其中的 2~3 种配置。电解液添加剂主要分为成膜添加剂、高/低温添加剂、倍率添加剂、过充添加剂、阻燃添加剂等。电解液添加剂的引入极大的提高了锂离子电池的电化学性能。锂离子电池在工作时主要是依靠锂离子在正负极之间来回嵌入脱出。如图 1.2 所示，正负极材料分别为典型的层状 LiCoO2和石墨。在放电时锂离子从已经嵌锂的LixC6中脱出进入电解液并穿过隔膜到达正极再次嵌入到 LiCoO2层状结构中，与此同时电子从外电路有负极转移到正极。充电过程则与放电过程完全相反。其反应过程可用下式表达：LiCoO26C Li1 xCoO2LixC6（1.1）
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TM912

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