碳化硅纳米线的电化学储能研究

发布时间：2017-09-12 00:02

  本文关键词：碳化硅纳米线的电化学储能研究

  更多相关文章： 纳米碳化硅 锂离子电池 电化学性能 超级电容器

【摘要】：碳化硅(SiC)具有宽禁带、高硬度、高热导率、高击穿场强、高电子迁移率、强抗氧化和耐腐蚀性等优异性能,被广泛应用于航空航天工业、机械制造、微电子等各个领域。一维SiC纳米材料更是在力学、电学和光学等方面展现出更多优异的性能。本文通过改进的化学气相沉积法(CVD)使用不同的硅源(单晶硅片、一氧化硅粉、二氧化硅粉、硅粉)制备出形状各异、粗细不同碳化硅材料,并对其进行了脱嵌锂性能、电化学储能研究。一直以来SiC材料被认为是锂离子电池的非活性材料之一,被确定作为缓冲层或骨架来提高复合物在充放电过程中的电子电导率。近几年,由于纳米材料的飞速发展,有人报道了SiC纳米材料作为锂离子电池材料的脱嵌锂性能。本文通过CVD方法,使用不同的硅源(单晶硅片、一氧化硅粉、二氧化硅粉、硅粉)制备SiC纳米材料,根据材料制备结果和锂离子电池的需要,我们选择了由硅粉作为硅源制备出生长在石墨纸基底上的珠帘状纳米线核壳结构的碳化硅。为了对比,将这种特殊结构的材料用氢氟酸处理后,得到生长在石墨纸上单一的碳化硅纳米线(SiCNWs)。把这两种材料同时作为电极片直接应用于锂离子电池。在不添加任何粘结剂和电子导电材料的情况下,它们展现出很高的比容量和很好的循环保持性。这些优异的性能归因于材料特殊的纳米结构有效地缓解了材料充放电过程中脱嵌锂导致的体积膨胀。相比之下,珠帘状纳米线核壳结构的SiC表现出较好的电化学性能,根据场发射扫描电镜和傅里叶变换红外光谱分析,这种材料的SiO2壳层有效地将SiC活性材料和电解液分离开来,抑制了固体电解质界面膜(SEI)快速产生,保证了活性材料的结构稳定性接下来我们研究了SiCNWs的生长机理以及纳米线生长过程中的不同形貌在电化学储能方面影响。首先我们对材料的制备条件进行了详细的研究,得出用CVD方法制备碳化硅纳米线薄膜生长在石墨纸上的最节能环保的生长条件,即最低制备温度、最少制备原料和最短制备时间。在这个制备条件下,我们选取0h,0.5h,1h,3h,5h,7h,10h这七个时间段进行了研究。通过SEM,直观的看到了SiCNWs在不同时间段下的生长状态。其次,我们将这七个制备时间段生长状态下的材料分别应用于超级电容器上,测试其电化学性能,发现在0.5h和1h这两个时间段下材料表现出最高的首周充放电比容量,而生长时间为10h的情况下,材料的充放电比容量一直在增加,循环200周后稳定下来,表现出更高的比容量2F cm-2。这可能是由于0.5h,1h时接触石墨纸的碳化硅材料由密布的小球组成,比表面积最大,所以比容量最高;而10h后,SiCNWs并没有直接同导电石墨纸接触,而是通过厚厚的一层碳化硅膜来传递电荷,因此材料在最初并不能展示出很高的比电容值。经过200周循环后比容量增加,1000周循环后仍然保持比容量不变,显示出卓越的循环稳定性。
【关键词】：纳米碳化硅 锂离子电池 电化学性能 超级电容器
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.24
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 SiC纳米材料的发展简介11-14
• 1.1.1 SiC的发展历史11-12
• 1.1.2 SiC的结构与性能12-13
• 1.1.3 一维SiC纳米线的制备及性能13-14
• 1.2 SiC材料在锂离子电池方面的应用研究14-17
• 1.2.1 锂离子电池的工作原理及性能特点14-16
• 1.2.2 负极材料在锂离子电池方面的发展16
• 1.2.3 SiC材料在锂离子电池上的研究和发展16-17
• 1.3 SiC纳米材料在超级电容器方面的应用研究17-19
• 1.3.1 超级电容器分类和原理17
• 1.3.2 超级电容器的电极材料17-18
• 1.3.3 SiC纳米材料在超级电容器方面的应用研究18-19
• 1.4 主要研究内容19-21
• 参考文献21-25
• 第2章 主要实验设备及其用途与原理25-29
• 2.1 实验主要原料及实验设备25
• 2.1.1 实验原料25
• 2.1.2 实验设备25
• 2.2 测试仪器25-29
• 2.2.1 扫描电子显微镜25-26
• 2.2.2 透射电子显微镜26
• 2.2.3 X射线衍射仪26
• 2.2.4 Raman光谱分析26-27
• 2.2.5 傅里叶变换红外光谱仪27
• 2.2.6 电池循环性能测试27-29
• 第3章 碳化硅纳米线在锂离子电池方面的应用29-45
• 3.1 材料的制备29-30
• 3.2 物理性能表征30-35
• 3.2.1 样品形貌特征分析—SEM和TEM数据分析30-33
• 3.2.2 XRD测试与分析33-34
• 3.2.3 拉曼测试与分析34-35
• 3.3 电化学性能测试与分析35-40
• 3.3.1 电池的循环保持性分析35-36
• 3.3.2 循环后材料的SEM和FTIR36-38
• 3.3.3 电池的充放电和CV测试与分析38-40
• 3.4 本章小结40-42
• 参考文献42-45
• 第4章 碳化硅纳米线在超级电容器方面的应用45-63
• 4.1 样品的制备45-46
• 4.2 物理性能表征46-57
• 4.2.1 SEM测试与分析46-55
• 4.2.2 碳化硅纳米线的生长机理分析55-56
• 4.2.3 XRD测试与分析56-57
• 4.3 材料的电化学性能测试与分析57-60
• 4.3.1 循环伏安曲线测试与分析57
• 4.3.2 恒流充放电测试分析57
• 4.3.3 EIS测试分析57-59
• 4.3.4 10h生长时间下的CV和循环保持性分析59-60
• 4.4 本章小结60-61
• 参考文献61-63
• 第5章 总结与展望63-65
• 5.1 总结63-64
• 5.2 展望64-65
• 致谢65-67
• 攻读学位期间发表的学术论文目录67-68

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