锂离子电池硅基负极材料的制备及电化学性能

发布时间：2017-08-31 18:43

  本文关键词：锂离子电池硅基负极材料的制备及电化学性能

  更多相关文章： 硅负极 锂离子电池 制备工艺 包覆型硅/聚苯胺复合材料 硅/碳复合材料

【摘要】：硅材料具有最高的理论比容量(4200 mAh/g)和适中的电位平台(~0.4 V vs Li/Li+),具有独特的优势和发展潜力。然而硅材料在充放电的过程中产生剧烈的体积效应(300%)和低的本征导电率是制约硅负极材料发展和商业化的主要因素。本文从优化硅电极制备工艺和合成硅复合材料两方面来改善硅负极锂离子电池电化学性能。优化硅电极制备工艺,研究了导电剂、粘结剂和电解液添加剂的种类及含量对锂离子电池硅电极电化学性能的影响,通过综合性能评估和机理分析确定与硅材料匹配最佳的工艺条件。结果表明,采用15 wt%的导电剂SuperP与15 wt%的粘合剂CMC制备的硅电极首次充电比容量为2971.3 mAh/g,首次库伦效率为80.5%,循环50次后可逆比容量保持在1143.8 mAh/g。在上述优化基础上,当FEC优化后的添加量为10 wt%时,在1 A/g下经100次充放电循环后,硅电极可逆比容量为842.6 mAh g-1。其次,采用电子束沉积法制备硅薄膜电极,通过控制沉积时间来改变沉积厚度,研究了硅薄膜的晶态、厚度对其电化学性能的影响。结果表明,沉积在铜箔上的硅薄膜是非晶状态,其电化学行为与晶态硅的基本一致。当沉积的硅薄膜的厚度为270 nm时,电池呈现出相对较稳定的循环性能。在1 C倍率下充放电循环时,首次可逆比容量为3215.0 mAh g-1,循环50次后,容量保持在905.0 mAh g-1。设计制作了用于研究光力学-电化学测试的模拟电池,已获得其硅电极在充放电过程中的形变初步信息。采用化学氧化还原法原位聚合得到包覆型硅/聚苯胺复合材料。研究了酸掺杂的聚苯胺在电解液体系中的电化学行为,聚苯胺在复合材料的含量对硅基材料结构和性能的影响,结果说明,酸掺杂的聚苯胺在锂电的电解液体系中仍存在一定电导率,且聚苯胺的存在并不影响硅的电化学行为并可以一定程度上提高电极的导电率。聚苯胺包覆纳米硅后形成的核壳结构可有效地缓解硅在脱/嵌锂过程中的体积膨胀效应,提高了硅基材料的电化学性能。当聚苯胺含量为12.3 wt%,在2 A g-1下充放电循环时,硅/聚苯胺电极的首次比容量保持在1065.1 mAh g-1,50次循环后比容量保持在766.6 mAh g-1,保持率为首次比容量的72%。将包覆在纳米硅的聚苯胺为碳源来制备硅/碳复合材料,研究了以聚苯胺为碳源对锂离子电池硅基负极的电化学性能影响。结果表明,硅/聚苯胺复合材料经过高温分解后形成硅/碳复合材料,并保持了原有的核壳结构在电流密度为1 A g-1下循环50次后,可逆比容量仍保持在672.2 mAh g-1。
【关键词】：硅负极 锂离子电池 制备工艺 包覆型硅/聚苯胺复合材料 硅/碳复合材料
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB332;TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 引言12
• 1.2 锂离子电池的原理12-13
• 1.3 锂离子电池负极材料研究现状13-16
• 1.3.1 碳类材料14-15
• 1.3.1.1 石墨14
• 1.3.1.2 软碳14
• 1.3.1.3 硬碳14-15
• 1.3.2 金属及合金类材料15-16
• 1.3.2.1 金属氧化物15
• 1.3.2.2 锂金属氮化物15-16
• 1.4 硅基负极材料的研究概述16-20
• 1.4.1 硅负极材料研究意义16
• 1.4.2 硅负极材料的储能机理16-17
• 1.4.3 硅负极材料面临的问题及解决方案17-20
• 1.4.3.1 纳米结构的硅材料17
• 1.4.3.2 制备工艺的优化17-19
• 1.4.3.3 硅基复合材料19-20
• 1.5 导电聚苯胺的导电机理20-22
• 1.6 本论文的主要研究内容22-23
• 第二章 实验方法23-28
• 2.1 主要实验试剂及仪器23-24
• 2.1.1 实验试剂23
• 2.1.2 实验仪器23-24
• 2.2 材料的物理表征24-26
• 2.2.1 傅里叶变换红外光谱24
• 2.2.2 X射线衍射24-25
• 2.2.3 热重-差热分析25
• 2.2.4 扫描电镜显微镜25
• 2.2.5 透射电子显微镜25
• 2.2.6 比表面积分析25
• 2.2.7 电阻率分析25-26
• 2.2.8 X射线光电子能谱（XPS）分析26
• 2.2.9 激光显微拉曼光谱分析26
• 2.3 材料的电化学性能表征26-28
• 2.3.1 电极制备及电池组装26
• 2.3.2 循环伏安测试26-27
• 2.3.3 充放电测试27
• 2.3.4 交流阻抗法27-28
• 第三章 锂离子电池硅负极的制备工艺及电化学性能28-60
• 3.1 导电剂对锂离子电池硅负极性能的影响28-34
• 3.1.1 引言28
• 3.1.2 电极制备28
• 3.1.3 不同导电剂的物理表征28-30
• 3.1.4 电化学性能表征30-33
• 3.1.4.1 循环伏安分析30
• 3.1.4.2 恒流充放电分析30-33
• 3.1.4.3 交流阻抗分析33
• 3.1.5 导电剂Super p的含量对硅电极性能的影响33-34
• 3.2 粘结剂对锂离子电池硅负极性能的影响34-42
• 3.2.0 引言34-35
• 3.2.1 电极制备35
• 3.2.2 纳米硅的物理特性表征35-37
• 3.2.3 电化学性能的表征37-41
• 3.2.3.1 循环伏安分析37-38
• 3.2.3.2 恒流充放电分析38-39
• 3.2.3.3 倍率性能分析39-40
• 3.2.3.4 电极循环后的SEM分析40-41
• 3.2.4 粘结剂CMC的含量对硅电极的影响41-42
• 3.3 电解液添加剂对锂离子电池硅负极性能的影响42-50
• 3.3.1 引言42-43
• 3.3.2 电解液配制43
• 3.3.3 电极的制备43
• 3.3.4 电化学性能的表征43-47
• 3.3.4.1 循环伏安分析43-44
• 3.3.4.2 恒流充放电曲线分析44-45
• 3.3.4.3 扫描电镜分析45-46
• 3.3.4.4 交流阻抗分析46-47
• 3.3.5 FEC反应机理研究47-48
• 3.3.6 FEC的含量对硅电极电化学性能的影响48-50
• 3.4 电子束沉积制备硅薄膜的工艺研究50-56
• 3.4.1 引言50
• 3.4.2 电极制备50
• 3.4.3 硅薄膜的物理性能表征50-52
• 3.4.3.1 XRD分析50-51
• 3.4.3.2 拉曼光谱分析51
• 3.4.3.3 SEM分析51-52
• 3.4.4 电化学性能的表征52-54
• 3.4.4.1 循环伏安分析52-53
• 3.4.4.2 恒流循环分析53-54
• 3.4.5 硅薄膜的厚度对其电化学性能的影响54-56
• 3.4.5.1 不同厚度硅薄膜的SEM图54-55
• 3.4.5.2 循环性能分析55-56
• 3.5 模拟电池设计56-57
• 3.6 模拟电池的电化学性能57-58
• 3.7 本章小结58-60
• 第四章 包覆型硅/聚苯胺复合材料的合成及其性能表征60-77
• 4.1 引言60
• 4.2 包覆型硅/聚苯胺复合材料的制备60
• 4.3 电极制备60
• 4.4 聚苯胺在锂离子电解液中的物理化学行为60-64
• 4.4.1 电导率的测试61
• 4.4.2 傅里叶红外分析61-62
• 4.4.3 X射线光能谱分析62-63
• 4.4.4 循环伏安分析63-64
• 4.5 硅/聚苯胺复合材料的物理表征64-75
• 4.5.1 X射线衍射分析64-65
• 4.5.2 傅里叶红外分析65-66
• 4.5.3 元素分布分析66-67
• 4.5.4 扫描电镜分析67
• 4.5.5 透镜电子显微镜分析67-68
• 4.5.6 热重分析68-69
• 4.5.7 电化学性能表征69-75
• 4.5.7.1 循环伏安曲线分析69-70
• 4.5.7.2 首次充放电曲线70-72
• 4.5.7.3 倍率循环性能分析72-73
• 4.5.7.4 高倍率性能的分析73-74
• 4.5.7.5 交流阻抗分析74-75
• 4.6 本章小结75-77
• 第五章 硅/碳复合材料的合成及其性能表征77-89
• 5.1 引言77
• 5.2 硅/碳复合材料的制备77
• 5.3 电极的制备77-78
• 5.4 硅/碳复合材料的物理表征78-83
• 5.4.1 XRD分析78
• 5.4.2 傅里叶红外分析78-79
• 5.4.3 EDS分析79-80
• 5.4.4 拉曼光谱分析80-81
• 5.4.5 SEM分析81-82
• 5.4.6 TEM分析82
• 5.4.7 热重分析82-83
• 5.5 电化学性能表征83-87
• 5.5.1 循环伏安分析83-84
• 5.5.2 首次充放电曲线与循环性能84-86
• 5.5.6 倍率性能86-87
• 5.5.7 阻抗分析87
• 5.6 本章小结87-89
• 第六章 结论89-91
• 参考文献91-98
• 发表论文和参加科研情况说明98-99
• 致谢99-100

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