硅碳复合负极材料的制备及电化学研究

发布时间：2017-09-24 13:00

  本文关键词：硅碳复合负极材料的制备及电化学研究

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【摘要】：当代,锂离子电池已广泛应用于各种先进科技中,成为最具前景的新型能源。然而,目前商用的锂离子电池石墨类负极材料的理论容量只有372 mAh/g。为了满足科技发展的需求,广大学者们正致力于研发具有更高能量密度的新型材料来取代石墨类材料。硅碳复合材料结合了硅系材料和碳基材料双方的优势,已成为新型负极材料的理想选择。其中,硅系材料提供了高能量密度,碳基材料提供了稳定的结构、高导电性和额外的储锂空间。本文使用硅(Si)和二氧化硅(SiO2)两种硅系材料与聚丙烯腈(PAN)复合,利用简单的静电纺丝法和后续的预氧化、炭化处理,制备了纳米Si/C和SiO2/C复合材料,考察了不同硅系材料及其含量对材料结构形貌及电化学性能的影响。以纳米Si与PAN为原料,制备了纳米Si含量为15 wt.%的Si/C复合物。纳米Si颗粒可均匀地分布在三维网络结构的内部。在50 mA/g的电流密度下,10次循环后表现出627.6 mAh/g的可逆比容量,较纯PAN纤维提高了~160 mAh/g,并且,该复合材料在100圈的容量保持率为92.4%。通过倍率性能分析得出:小电流密度下,纳米Si的添加提高了复合材料的比容量,但在大电流密度下,纳米Si的添加则会降低复合材料的倍率性能。本实验还采用了不同含量的纳米SiO2与PAN制备了一系列SiO2/C复合材料,得出了当SiO2对于PAN的添加量为15 wt.%时,SiO2/C复合物中的实际SiO2含量为23.6 wt.%,此时,SiO2颗粒在纳米纤维中具有最好的结构分布。该复合材料在50 mA/g的电流密度下循环100次后,可逆比容量为658 m Ah/g,并且在500、1000 m A/g的电流密度下分别保持了451、356 mAh/g的高可逆比容量,表现出了较高的比容量、良好的循环性能和倍率性能。本研究还根据不同含量的SiO2分析了SiO2/C负极电极材料与锂离子的反应机理。在SiO2与锂离子的两个平行反应中,当SiO2颗粒较小时易生成可逆的Li2Si2O5,而当SiO2颗粒较大时易生成不可逆的Li4SiO4。因此当Si O2的含量增大时,SiO2容易聚集成大尺寸的团聚颗粒,加速了Li4SiO4的生成,增大了不可逆容量。
【关键词】：硅碳复合 纳米纤维 静电纺丝 锂离子电池
【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
• ABSTRACT5-10
• 第一章 文献综述10-23
• 1.1 引言10
• 1.2 锂离子电池概述10-13
• 1.2.1 锂离子电池的发展简史10-12
• 1.2.2 锂离子电池结构及工作原理12-13
• 1.3 锂离子电池负极材料13-19
• 1.3.1 碳基负极材料14-15
• 1.3.2 非碳基负极材料15-19
• 1.4 硅碳复合材料19-21
• 1.4.1 硅碳复合材料的提出19
• 1.4.2 硅碳复合材料的分类及研究现状19-20
• 1.4.3 硅碳复合材料存在的问题20-21
• 1.5 选题的目的和内容21-23
• 第二章 实验药品、仪器和方法23-31
• 2.1 主要原料和化学试剂23-24
• 2.1.1 主要原料23
• 2.1.2 主要化学试剂23-24
• 2.2 主要实验仪器和设备24-25
• 2.3 材料的制备25-27
• 2.3.1 静电纺丝法原理及装置25-26
• 2.3.2 预氧化及炭化工艺26-27
• 2.4 材料的表征分析27-29
• 2.4.1 场发射扫描电子显微镜分析27
• 2.4.2 高分辨透射电子显微镜分析27-28
• 2.4.3 X射线衍射分析28
• 2.4.4 热重分析28
• 2.4.5 电子导电率的测定28-29
• 2.5 电池的组装与测试29-31
• 2.5.1 电极片的制备29
• 2.5.2 扣式电池的组装29-30
• 2.5.3 电化学测试30-31
• 第三章 硅/碳复合材料的制备31-42
• 3.1 引言31
• 3.2 热解碳源及硅材料的选择31-33
• 3.2.1 热解碳源的选择31-33
• 3.2.2 硅材料的选择33
• 3.3 硅/碳复合及纯碳基材料的制备33-34
• 3.4 硅/碳复合及纯碳基材料的结构性能34-37
• 3.4.1 扫描电子显微镜观察34-35
• 3.4.2 透射电子显微镜观察35-36
• 3.4.3 X射线衍射分析36-37
• 3.5 硅/碳复合及纯碳基材料的电化学性能37-40
• 3.5.1 恒流充放电测试37-39
• 3.5.2 倍率性能测试39
• 3.5.3 循环性能测试39-40
• 3.6 章节小结40-42
• 第四章 二氧化硅/碳复合材料的制备及储能机理研究42-56
• 4.1 引言42
• 4.2 二氧化硅/碳复合材料的制备42-43
• 4.3 二氧化硅含量对二氧化硅/碳复合材料结构性能的影响43-48
• 4.3.1 扫描电子显微镜观察43-45
• 4.3.2 透射电子显微镜观察45-46
• 4.3.3 X射线衍射分析46-47
• 4.3.4 空气中的热重分析47
• 4.3.5 电子导电率的测定47-48
• 4.4 二氧化硅含量对二氧化硅/碳复合材料电化学性能的影响48-52
• 4.4.1 恒流充放电测试48-50
• 4.4.2 倍率性能测试50-51
• 4.4.3 循环性能测试51-52
• 4.5 二氧化硅/碳复合电极材料的反应机理研究52-54
• 4.6 章节小结54-56
• 第五章 结论及工作展望56-58
• 5.1 结论56-57
• 5.2 工作展望57-58
• 参考文献58-67
• 发表论文和参加科研情况说明67-68
• 致谢68-69

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