高容量锂离子电池硅碳复合负极材料的制备与性能

发布时间：2017-07-16 13:02

  本文关键词：高容量锂离子电池硅碳复合负极材料的制备与性能

  更多相关文章： 锂离子电池 负极材料 纳米硅 石墨烯 硅碳复合

【摘要】：本文以纳米硅为硅源,结合碳材料优异的导电、体积稳定性制备Si/C复合材料,研究了不同碳材料和硅复合后形成负极材料的性能。首先采用Hummers法制备膨胀氧化石墨烯,然后通过高温热解还原制备所需的石墨烯,此后与纳米硅复合。采用SEM、TEM、XRD、 Raman等多种测试手段对制各的负极活性材料进行了微观结构和微观形貌的表征。系统研究了硅与石墨烯不同质量比例条件下,锂离子电池的循环性能,研究结果表明,以65%纳米硅颗粒和35%石墨烯为负极材料的电池具有最优的循环性能：首次放电容量达到1219mAh/g。经过100次循环后,可逆容量为850 mAh/g,容量保持率为69.7%。即使在1000 mA/8的大电流下循环,电极的可逆容量依然在600 mAh/g以上。电化学测试显示出,纳米硅／石墨烯复合材料的内电阻特别低,电化学性能要远远好于纳米Si。这来自于硅与石墨烯的协同效应,石墨烯层可分隔硅颗粒,防止其团聚失效,并且柔韧的石墨烯层可有效吸收应力,减缓硅的体积效应,其三维导电网络结构可以大大改善纳米硅粒子的电接触,维持负极材料在充放电过程中结构稳定。以纳米硅为硅源、PEG为碳前驱体,在F127为模板剂条件下固化成型,然后通过高温裂解法制备了壳核结构纳米碳／硅复合材料。研究了纳米硅、碳不同质量比例条件下,微观结构的变化。研究结果表明,其循环性能明显优于高温裂解碳材料和纯硅材料。热解碳具有优异的电导率,原位生成并包覆在硅颗粒表面,结合稳定,可以有效地形成导电网络,并缓冲硅基复合材料在嵌脱锂过程中的体积变化,改善其循环性能。壳核结构纳米硅／碳复合材料,在100 mA/g电流条件下,100次循环后可逆容量仍可保持在1100 mAh/g,库伦效率高达99.2%。在1200 mA/g电流条件下,100次循环后电池可逆容量保持在343 mAh/g,库伦效率为99.4%,表现出了非常优异的循环稳定性。
【关键词】：锂离子电池 负极材料 纳米硅 石墨烯 硅碳复合
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-15
• 第一章 绪论15-39
• 1.1 锂离子电池的发展背景15-16
• 1.2 锂离子电池的组成及工作的基本原理16-20
• 1.3 锂离子电池技术的发展近况20
• 1.4 负极材料研究进展20-23
• 1.5 硅负极材料概况23-27
• 1.5.1 硅基材料容量衰减迅速的原因24
• 1.5.2 硅材料纳米化24-26
• 1.5.3 防止硅材料与电解液发生界面反应26-27
• 1.6 正极材料研究进展27-28
• 1.7 改善电化学性能的有效途径28-29
• 1.8 安全性和稳定性的改进29-35
• 1.8.1 电解液的改进30-32
• 1.8.2 电池整体设计上的改进32-35
• 1.9 锂离子电池的发展前景35-38
• 1.10 本文研究目的和主要研究内容38-39
• 第二章 实验部分39-45
• 2.1 实验药品39-40
• 2.2 实验仪器和设备40
• 2.3 半电池的制备40-41
• 2.4 电化学测试41-42
• 2.4.1 恒流充放电测试41
• 2.4.2 倍率性能测试41-42
• 2.4.3 电化学阻抗谱测试42
• 2.5 材料物理结构的表征42-45
• 2.5.1 物相分析42
• 2.5.2 表面形貌分析42-43
• 2.5.3 微观结构分析43-45
• 第三章 石墨烯基纳米硅负极材料的制备及其电化学性能研究45-55
• 3.1 引言45-46
• 3.2 实验46-47
• 3.2.1 氧化石墨烯溶液的制备46-47
• 3.2.2 纳米硅/石墨复合材料的制备47
• 3.3 结果与讨论47-54
• 3.3.1 材料晶体物相分析47-49
• 3.3.2 材料表而形貌与微观结构49-50
• 3.3.3 不同质量比例的纳米硅/石墨烯复合材料充放电性能测试50-51
• 3.3.4 纳米硅/石墨烯复合材料容量及库伦效率变化51-52
• 3.3.5 纳米硅/石墨烯复合材料电压容量曲线52
• 3.3.6 纳米硅/石墨烯复合材料倍率性能52-53
• 3.3.7 循环伏安法研究53-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第四章 壳核结构C/Si复合材料的制备及其性能研究55-71
• 4.1 引言55-57
• 4.2 材料制备57
• 4.3 不同分子量PEG对壳核结构碳/硅纳米微观形貌的影响57-59
• 4.4 不同碳硅质量比对材料结构的影响59-61
• 4.5 壳核结构碳/硅纳米粒子性能研究61-70
• 4.5.1 材料晶体分析及微观结构特点61-65
• 4.5.2 恒流充放电性能研究65-67
• 4.5.3 倍率性能67-68
• 4.5.4 循环伏安性能68-69
• 4.5.5 交流阻抗测试69-70
• 4.6 本章小结70-71
• 第五章 总结与展望71-73
• 参考文献73-81
• 致谢81-83
• 研究成果及发表的学术论文83-85
• 作者及导师简介85-86
• 附件86-87

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 饶睦敏;黄启明;李伟善;;锂离子电池纳米负极材料的研究进展[J];电池工业;2008年02期

，

本文编号：548757