锂离子电池硅负极改性及基SEI膜研究

发布时间：2021-11-26 00:44

　　发展轻质量并且续航持久的锂离子电池对于许多关键应用如混合动力汽车、电动车、节能货船、机车等至关重要。提高锂离子电池负极的理论容量是一种非常有效的手段,不仅能够降低电池的重量,减小电池的体积,还能控制生产成本。硅材料能够与锂金属形成合金相Li4.4Si,所形成的合金相的理论容量达4200m Ah/g,远远高于商业化的碳基负极材料的理论比容量（石墨:372 m Ah/g）。然而硅材料极低的导电率及在充放电过程中出现的巨大体积增长（>300%）对其电化学性能造成了巨大的影响。硅颗粒剧烈的体积变化使其在充放电过程中粉化,与集流体失去电接触,此过程往往伴随着固体电解质界面膜（SEI膜）的不断破裂与形成,从而影响电池的循环稳定性。通过掺杂及包覆等手段能改善材料的导电性,此外,导电包覆层也能在一定程度抑制体积变化,实现电化学性能的提升;固体电解质界面膜对材料的循环性能有重要影响,因此对于SEI膜的研究也必不可少。本文采用廉价的原材料,简便的制备方法来合成纳米结构磷掺杂硅/石墨复合负极材料,并对硅材料尺寸效应对于SEI膜的影响进行了研究。具体内容如下:（1）采用价格低廉的微米硅为原材料,通过两步... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)浙江省

【文章页数】：88 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

各种锂离子电池结构

图 1.2 锂离子电池工作原理示意图[38]Figure 1.2 Schematic illustration of the Li-ion battery.锂离子硅基负极材料研究进展现在商场上主流的的负极材料一般为石墨电极，372 mAh/g 的理论容量限进一步的发展。硅的理论容量为 4200 mAh/g，相当于商业化石墨负极的其放电平台为 0.2 V（vs Li/Li+），如此低的放电平台能够使全电池具有更量密度。同时，硅还具有储量丰富，环境友好的特点[27, 39-41]。廉价的硅材可能取代石墨类材料成为下一代的锂电负极材料。但是硅材料想要实现商面临着许多的挑战。首先，硅在充放电过程中存在巨大的体积膨胀/收300%），如此巨大的体积变化将会导致材料表面的 SEI 膜不断的破裂和重本体的粉化以及较差的电化学性能。此外，硅材料本身导电性低（10-3S/cm

第一章 绪论化、实现稳定的循环性能。.1 纳米硅材料备受关注的纳米材料相比较体相材料具有独特的优势：（1）纳米化的材料具受巨大应力应变的能力，因此，能一定程度抑制锂离子在嵌入与脱出过程的的体积膨胀；（2）高的比表面积能够缩短电子和锂离子迁移的距离，实现快嵌锂和脱锂，减小循环过程中的极化以及提高倍率性能[56-58]。当纳米硅颗粒减小到 150 nm 以下时能有效的抑制体积变化导致的粉化现象图 1.3 所示），但是体积变化问题仍然存在，因此，纳米硅还是存在从集流剥落的现象，同时 SEI 膜也会在不断的体积变化过程中破裂和重新生成，这要对纳米硅基材料进行修饰，其中最主要的方法是使用碳材料导电矩阵进行[59]。


本文编号：3519096