高性能硅基锂离子电池负极材料的制备与性能研究

发布时间：2020-06-25 22:29

【摘要】：硅基负极材料因具有理论比容量高(4200 mAh g-1)、储量丰富等优点而被认为是最有潜力的锂离子电池负极材料。但是,硅基材料在锂离子的嵌入和脱出过程中会产生巨大的体积膨胀(300%),导致材料的破碎与粉化,最终导致电极材料的破坏,这就造成了硅负极循环性能的恶化。将具有高导电率的碳材料或者比表面积高以及电导率和机械性能优异的石墨烯材料与硅材料进行复合是有效的改性方法。本文兼顾工艺成本和难度,设计并制备储锂容量高、循环性能好的硅/碳复合材料用作锂离子电池负极材料。研究内容主要包括以下2个方面:(1)“多孔、嵌入、包覆”型硅/多孔碳纤维复合材料的制备及性能研究。通过静电纺丝和后期退火的方法制备硅/碳多孔复合纳米纤维,接着进行一步电沉积工艺对其包覆还原氧化石墨烯(rGO)薄膜,制备出高性能石墨烯包覆硅/多孔碳纤维负极材料。其电化学性能优异:前三圈充电曲线高度重合,可逆性优异;在0.2 Ag-1的电流密度下,循环50次可逆容量可达1851.3 mAhg-1,库伦效率为97.5%,循环性能十分稳定;在0.53 Ag-1的高倍率下,循环300次,可逆容量可达1217.8 mAhg-1,库伦效率可达99%。(2)“多重包覆”型硅/碳负极材料的制备及性能研究。通过对Si纳米颗粒进行包覆碳层,并通过原位聚合方法将其嵌入至聚苯胺构成的三维导电网络结构中并加以高温碳化,制备出双重包覆的碳硅复合材料(Si@C@PC)。同时还以泡沫镍为载体,使Si@C@PC在泡沫镍上原位包覆形成Si@C@PC-Ni,并对Si@C@PC-Ni进行电沉积石墨烯,形成有石墨烯保护层的三维Si@C@PC-Ni@rGO。Si@C@PC电极材料在0.5 Ag-1的电流密度下,充放电370圈后充/放电容量为1937.2/1965.4 mAh g-1,相比于第二圈,容量保持率约为90%。与Si@C@PC-Ni相比,Si@C@PC-Ni@rGO材料结构稳定性更加优异,具有更高的容量保持率。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912
【图文】：

价态,容量损失,正极材料

，．．．位范围内的可逆容量最高只能达到１６０邋ｍＡｈ邋ｇ＇目前，研宄者们尝试使用改性方法比如包覆、掺杂等方法以使ＬｉＣ0０２具有良好的电化学性能Ｗ。逡逑ＬｉＭｎ２0４正极材料的主要优点是：Ｍｎ的来源广泛、成本低廉、安全性高、逡逑回收。缺点是：理论容量不高，在充放电过程中发生的容量损失大。Ｊａｈｎ－Ｔｅｌｌ应是引发锰酸锂容量损失的关键因素［９］。通过对反应过程中过活性材料表面结构和元素价态的变化进行研究。Ａｍｏｓｄ等研究了歧化反应过程中ＬｉｘＭｎ２Ｍｎ元素的价态变化情况，ＬＭＯ有很薄的Ｍｎ２Ｔ［Ｍｎ２３＋］0４（Ｍｎ３0４）表面相的，而下表层的Ｌｉ１＋ｘ［Ｍｎ２；ｌ0４相和体相Ｌｉ［Ｍｎ２］０４仍然保持不变（图１．２）邋［ＩＱ］。部分金属掺杂可提高ＬｉＭｎ２0４薄膜的循环性能。Ｐ．邋Ａｘｍａｎｎ通过掺杂Ｎｉ［１１１，逡逑正文等通过在ＬｉＭｍＣＵ中加入Ｚｒ０２［１２］，所准备的正极材料都具有优异的容率性能以及循环稳定性。逡逑

石墨,复合材料,气凝胶,氮掺杂

气凝胶中［１４】。在此复合物中，选用的面取向（0１0）的薄ＬｉＦｅＰ0４纳米片具有较逡逑大的表面积，因此具有很多活性位点，并缩短了邋Ｌｉ＋的扩散的距离，氮掺杂的石逡逑墨烯气凝胶也促进了电子离子运输，因此具有突出的性能（图１．３）。逡逑（ａ）８，逦邋（ｂ）邋１0５．逦逡逑３逦Ｐｓｅｕｄｏ－逦＾－ＬＦＰ＠Ｎ－ＧＡ逡逑＿逦—ＬＦＰ＠Ｎ－ＧＡ邋，逦＼邋１６８邋ｍＶ，逦ｆｌＯ４邋ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ逡逑§0ＬＦＰ／ｃ邋ＩＵ邋－邋Ｉ：；逦？逡逑（ｊ逦｜２５２ｍＶ＾逦￥邋ｊＱ１邋Ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ逡逑？４逦１逦＾逦ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ逦Ｆｕｅｌ邋ｃｅＭ逡逑２：８逦３：２逦３＾６逦４；０＾逦１Ｓ0ｆ逦１０＃逦１0＇逦１０ｓ逦１０５逡逑，ｔ逦Ｖｏｌｔａｇｅ邋（Ｖ邋ｋｓ．邋Ｌｉ＊／Ｕ）逦．邋．．邋Ｅｎｅｒｇｙ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋（Ｗｈ／ｋｇ）逡逑（ｃ）邋逦：逦邋（ｄ）邋逦逡逑１８邋＂Ｔ邋ＬＦＰ＠Ｎ－ＧＡ逦—＞邋１６（＾０邋５邋６００邋．逦－？－ＬＦＰ＠Ｎ－ＧＡ逡逑３逦逦＝＊１．0１邋１２0Ｓ邋Ｉ逦？Ｘ邋＾ＬＦ0Ｐ／ｃｅｒＣｉａ，逡逑桯邋Ｋ逦Ｊ邋．ｏｔｉ＾ｏｏ逦、卜邋ａ、逡逑0逦Ｔ邋６００邋１Ｍ０邋１８００邋ｖ逦＾邋Ｃ逦灰邋？逡逑0邋逦ｉｂｉｉ逦邋0邋￥邋ｉ逡逑Ｌ逦」爸！邋ｎ逦逦逦

【参考文献】