石墨烯基碳/硅复合材料的制备及电化学性能研究

发布时间：2021-02-03 11:28

　　锂离子电池具有高的能量密度和良好的循环性能,被认为是最有潜力的混合动力或电动交通工具的能源存储设备。在锂离子电池的负极材料中,硅具有最高的理论比容量（高温时嵌锂形成Li22Si5,比容量可达4200 mAh·g-1;常温时嵌锂形成Li15Si4,比容量可达3579 mAh·g-1）和较低的脱锂电位（<0.5 V vs Li+/Li）,充电时难引起表面析锂,安全性能较好。然而,硅自身的导电率较低,而且在电化学循环过程中,锂离子的脱嵌使电极材料发生巨大的体积变化（>300%）,造成结构坍塌,电极材料粉化,导致电池循环性能大大降低。另外,这种体积效应使得硅电极无法形成稳定的固体电解质界面（SEI）膜,加剧了电极材料的腐蚀和电池容量的衰减。为了提高硅基负极材料在循环过程中的结构稳定性,通常将硅材料进行纳米化和复合化。本论文在总结了相关研究进展的基础上,采用碳热法制备石墨烯基碳/硅复合材料,探索了不同复合材料的制备工艺条件。运用粉末X-射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）和比表面积（BET）测试等手... 

【文章来源】：中国地质大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：118 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
作者简介
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 锂离子电池技术
        1.1.1 锂离子电池的工作原理
        1.1.2 锂离子电池的组成及类型
    1.2 锂离子电池负极材料
        1.2.1 金属锂
        1.2.2 碳材料
        1.2.3 合金材料
        1.2.4 金属氧化物
        1.2.5 钛酸锂
    1.3 硅负极材料
        1.3.1 硅薄膜、硅纳米颗粒
        1.3.2 硅纳米线
        1.3.3 多孔硅
        1.3.4 硅-金属复合材料
    1.4 硅碳复合负极材料的制备
        1.4.1 气相沉积
        1.4.2 高温固相合成
        1.4.3 机械合金化
        1.4.4 静电电纺
    1.5 硅碳复合负极材料的结构及电化学性能
        1.5.1 纳米线型Si/C
        1.5.2 核壳型Si/C
        1.5.3 掺杂型Si/C
    1.6 选题背景和研究方法
        1.6.1 本论文的选题背景
        1.6.2 本论文的研究方法
        1.6.3 本论文的创新点
第二章 实验器材与方法
    2.1 实验试剂及仪器
        2.1.1 实验试剂
        2.1.2 实验仪器
    2.2 样品制备方法
        2.2.1 石墨烯基碳材料的制备
        2.2.2 石墨烯基碳包覆纳米硅复合材料的制备
        2.2.3 中空的石墨烯基碳包覆纳米硅复合材料的制备
        2.2.4 石墨烯基碳包覆纳米多孔硅复合材料的制备
        2.2.5 电池组装
    2.3 样品表征
        2.3.1 热重分析（TG）测试
        2.3.2 比表面（BET）测试
        2.3.3 X射线粉末衍射（XRD）测试
        2.3.4 扫描电子显微镜（SEM）测试
        2.3.5 透射电子显微镜（TEM）测试
        2.3.6 拉曼光谱（Raman）测试
        2.3.7 X射线光电子能谱（XPS）测试
    2.4 样品电化学性能测试
        2.4.1 恒电流充放电性能测试
        2.4.2 循环伏安测试
        2.4.3 交流阻抗测试
    2.5 本章小结
第三章 石墨烯基碳的制备及电化学性能研究
    3.1 引言
    3.2 石墨烯基碳的制备
    3.3 石墨烯基碳的结构表征
        3.3.1 石墨烯基碳的结构分析
        3.3.2 石墨烯基碳的比表面和形貌分析
    3.4 石墨烯基碳的电化学性能
    3.5 本章小结
第四章 石墨烯基碳包覆纳米硅复合材料的制备及电化学性能研究
    4.1 引言
    4.2 石墨烯基碳包覆纳米硅复合材料的制备
    4.3 石墨烯基碳包覆纳米硅复合材料的制备工艺条件探索
        4.3.1 碳化温度的研究
        4.3.2 碳化时间的研究
        4.3.3 Si和LPAN比例的研究
    4.4 石墨烯基碳包覆纳米硅复合材料的结构表征
        4.4.1 复合材料的结构分析
        4.4.2 复合材料的形貌分析
    4.5 石墨烯基碳包覆纳米硅复合材料的电化学性能
        4.5.1 石墨烯基碳包覆纳米硅复合材料的充放电性能分析
        4.5.2 石墨烯基碳包覆纳米硅复合材料的循环伏安测试
        4.5.3 石墨烯基碳包覆纳米硅复合材料的交流阻抗测试
        4.5.4 石墨烯基碳包覆纳米硅复合材料的脱嵌锂机理分析
    4.6 本章小结
第五章 中空的石墨烯基碳包覆纳米硅复合材料的制备及电化学性能研究
    5.1 引言
    5.2 中空的石墨烯基碳包覆纳米硅复合材料的制备
    5.3 中空的石墨烯基碳包覆纳米硅复合材料的制备工艺条件探索
        5.3.1 正硅酸乙酯（TEOS）加入量的研究
        5.3.2 碳前驱体的选择研究
        5.3.3 LPAN加入量的研究
        5.3.4 介质及混和方式（包覆LPAN过程）的研究
        5.3.5 截止电压对复合材料电化学性能的影响
    5.4 中空的石墨烯基碳包覆纳米硅复合材料结构和性能
        5.4.1 复合材料的结构分析
        5.4.2 复合材料的电化学性能
        5.4.3 复合材料的脱嵌锂机理分析
    5.5 本章小结
第六章 石墨烯基碳包覆纳米多孔硅复合材料的制备及电化学性能研究
    6.1 引言
    6.2 石墨烯基碳包覆纳米多孔硅复合材料的制备
    6.3 石墨烯基碳包覆纳米多孔硅复合材料的结构和性能
        6.3.1 制备工艺条件探索及结构特征
        6.3.2 石墨烯基碳包覆多孔硅复合材料的电化学性能
        6.3.3 石墨烯基碳包覆多孔硅复合材料的脱嵌锂机理分析
    6.4 本章小结
第七章 结论与展望
    7.1 结论
    7.2 展望
致谢
参考文献


【参考文献】：
期刊论文
[1]不同气氛下裂解含苯环聚硅氧烷制备锂离子电池Si-O-C复合负极材料的电池性能研究[J]. 刘相,谢凯,郑春满,王军.  物理学报. 2011(11)
[2]新型碳材料——石墨烯的制备及其在电化学中的应用[J]. 黄海平,朱俊杰.  分析化学. 2011(07)



本文编号：3016426