硅负极活性材料的制备及其性能分析

发布时间：2017-09-19 18:38

  本文关键词：硅负极活性材料的制备及其性能分析

  更多相关文章： 锂离子电池硅负极 硅纳米颗粒 硅纳米球 格氏反应 镁热还原

【摘要】：随着锂离子电池在移动电源、电动汽车、智能电网等行业中的应用越加广泛,业界对电化学性能优异的电极活性材料的需求也日益迫切。硅作为负极活性材料时,其理论比容量超过4000 mAh/g,远远胜过传统石墨负极,因此受到了许多研究者的关注。然而有两个主要因素制约了硅负极的发展:一,硅是一种半导体材料,导电性能较差;二,硅在充放电过程中产生近300%的体积变化,会严重破坏电极结构。为了减小体积变化对硅负极的破坏,本文从制备硅纳米结构的角度出发,采取了低温液相法、二氧化硅还原法和酸碱刻蚀法等三种速度快、成本低、工艺简单的方法,分别制得了硅纳米颗粒、硅纳米球、硅微/纳米碎片等锂离子电池负极活性材料,并对这几种材料进行了合成或反应机理探讨、物理性质表征和电化学性能测试。(1)改良了Kaulzarich法,用镁还原四氯化硅制备出硅纳米颗粒前驱体,再用胺或酰胺钝化前驱体,最终得到了平均粒径在50 nm以下还原性极高的硅纳米颗粒。根据钝化剂的选择,所得材料的微观形貌会有较大的区别,其电化学性能也完全不同。当以N-甲基吡咯烷酮为钝化剂时,所得硅纳米颗粒呈现出葡萄串的形貌;其在200 mA/g的电流密度下,首次放电容量达到了1688 mAh/g,十五次循环后衰减到1070 mAh/g,库伦效率除首次63%外均在90%以上。(2)用不同的软模板水解正硅酸乙酯制备出二氧化硅纳米球,再用镁在700°C下高温还原二氧化硅,最终得到了粒径均匀的硅纳米球。当使用二茂铁为软模板时,所得硅纳米球拥有疏松的结构,而且有部分纳米球发生破碎;其在200 mA/g的电流密度下,首次放电容量达到了1400 mAh/g,十五次循环后衰减到1124mAh/g,库伦效率除首次71.8%外均在80%左右。另外,该方法所得硅纳米球每一次循环时放电容量远远大于上一次循环时的充电容量。(3)用各向同性刻蚀的氢氟酸/硝酸混酸刻蚀液和各向异性刻蚀的氢氧化钾依次对微米级粗硅进行刻蚀,最终得到了粒径分布在100 nm至1μm的硅微/纳米碎片。根据酸碱刻蚀的先后,所得碎片的微观形貌完全不一样。当先酸刻蚀后碱刻蚀时,所得硅微/纳米碎片呈现出棱角分明的状态,首次放电容量2093 mAh/g,五次循环后即衰减到1019 mAh/g,库伦效率不到75%。
【关键词】：锂离子电池硅负极 硅纳米颗粒 硅纳米球 格氏反应 镁热还原
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.2;TM912
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-31
• 1.1 硅负极的机理10-16
• 1.1.1 锂硅电化学合金11-14
• 1.1.2 大体积硅负极的失效机理14-16
• 1.2 硅负极循环寿命的改进方法16-29
• 1.2.1 活性/惰性纳米复合材料17-21
• 1.2.1.1 球磨法制备硅/碳复合材料19-20
• 1.2.1.2 化学气相沉积或高温热解制备硅/碳复合材料20
• 1.2.1.3 硅/碳纳米管复合材料20-21
• 1.2.2 纳米结构21-28
• 1.2.2.1 二维硅纳米薄膜负极22-23
• 1.2.2.2 一维硅纳米线负极23-25
• 1.2.2.3 三维硅纳米结构负极25-28
• 1.2.3 粘合剂对于硅负极电化学性能的作用28-29
• 1.3 选题依据及主要工作29-31
• 第二章 实验方法31-37
• 2.1 实验所用试剂和仪器设备31-32
• 2.2 低温溶液法制备硅纳米颗粒32-33
• 2.3 二氧化硅还原法制备硅纳米球33
• 2.4 酸碱刻蚀法制备微/纳米硅33-34
• 2.5 材料的物理性质表征34-35
• 2.5.1 X射线衍射分析34
• 2.5.2 傅里叶变换红外光谱分析34
• 2.5.3 扫描电子显微镜分析34-35
• 2.5.4 透射电子显微镜分析35
• 2.6 材料的电化学性能表征35-37
• 2.6.1 电极制作35
• 2.6.2 电池组装35-36
• 2.6.3 充放电循环测试36-37
• 第三章 低温液相法制备硅纳米颗粒37-59
• 3.1 合成机理探究37-41
• 3.2 硅纳米颗粒的X射线衍射分析41-45
• 3.3 硅纳米颗粒的傅里叶变换红外光谱分析45-47
• 3.4 硅纳米颗粒的扫描电子显微镜分析47-52
• 3.5 硅纳米颗粒的电化学性能52-57
• 3.6 本章小结57-59
• 第四章 二氧化硅还原法制备硅纳米球59-74
• 4.1 合成机理59-60
• 4.2 硅纳米球的X射线衍射分析60-62
• 4.3 硅纳米球的扫描电子显微镜分析62-66
• 4.4 硅纳米球的透射电子显微镜分析66-68
• 4.5 硅纳米球的电化学性能分析68-72
• 4.6 本章小结72-74
• 第五章 酸碱刻蚀法制备微/纳米硅74-81
• 5.1 反应机理74
• 5.2 微/纳米硅的X射线衍射分析74-75
• 5.3 微/纳米硅的扫描电子显微镜分析75-78
• 5.4 微/纳米硅的电化学性能分析78-80
• 5.5 本章小结80-81
• 第六章 结论与展望81-84
• 6.1 结论81-82
• 6.2 展望82-84
• 致谢84-85
• 参考文献85-93
• 攻硕期间取得的研究成果93-94

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 胡成龙;鲁少林;黄晔德;刘继延;王亮;;巯基聚甲基丙烯酸甲酯纳米球的制备与表征[J];江汉大学学报(自然科学版);2013年03期

2 杨光智;杨俊和;刘洋;贾润萍;徐日升;王霞;凌立成;;聚丙烯腈基炭纳米球的制备[J];煤炭转化;2009年02期

3 ;“二氧化硅纳米球粒度标准物质”通过中科院科技成果鉴定[J];中国印刷与包装研究;2009年06期

4 郭庆中;刘闯;肖颖;;羧基改性单分散二氧化硅纳米球的制备与表征[J];有机硅材料;2010年04期

5 陈秋云;王玲昀;陈浩;王娟;高静;;二吡啶甲基胺配合物修饰的肿瘤靶向性硅核壳纳米球(英文)[J];无机化学学报;2010年10期

6 ;二氧化硅亚微米、纳米球粒度标准物质研制取得进展,填补了国内外100nm以下产品研究空白[J];传感器世界;2010年05期

7 李雪莲;张志东;王红艳;熊祖洪;张中月;;应用平行隔板增强纳米球表面电场[J];物理学报;2011年04期

8 曹星星;张学斌;朱雅君;冀翼;刘莎莎;邵浩;凤仪;;中空纳米球的制备和应用[J];广州化工;2012年11期

9 伏文;周倩;陈春年;;氮掺杂二氧化钛/聚吡咯(TiO_2@Polypyrrole)纳米球的制备及其超声催化性能研究[J];金属功能材料;2012年03期

10 苏东坡;唐元洪;林良武;杨雷;;氨基酸辅助制备二氧化硅纳米球及其应用[J];材料导报;2012年23期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 齐国斌;杨梅竹;黄娟;薛亚楠;喻发全;;尺寸可控的海藻酸钠/阿霉素复合纳米球的制备与表征[A];2012年全国高分子材料科学与工程研讨会学术论文集（上册）[C];2012年

2 胡成龙;陈韶云;陈旭东;张卫红;陈建;;聚苯胺纳米球/纳米棒生长过程中的拉曼光谱研究[A];第十七届全国光散射学术会议摘要文集[C];2013年

3 庞晋丽;李艳敬;周国伟;;微乳液模板制备径向介孔孔道结构的二氧化硅纳米球[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第27分会：多孔功能材料[C];2014年

4 王帅;张宁;葛小鹏;万瑛博;李晓虹;严礼;夏怡君;宋波;;多组分反应制备规整偶氮苯聚合物:光致形变性能的超分子纳米球[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第08分会：高分子科学[C];2014年

5 程轲;王书杰;程刚;蒋晓红;杜祖亮;;利用纳米球模板技术组装周期性排列的空心金球[A];中国化学会第26届学术年会超分子组装与软物质材料分会场论文集[C];2008年

6 耿，

本文编号：883291