纳米多孔硅及复合材料的制备和电化学性能研究

发布时间：2017-09-08 17:03

  本文关键词：纳米多孔硅及复合材料的制备和电化学性能研究

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【摘要】：硅材料具有最高的理论比容量(～4200mAh/g)和较低的充放电电位以及丰富的储量而被认为最有望取代传统的石墨电极材料,成为下一代新型大容量锂离子电池负极材料。然而在充放电过程中,硅材料存在巨大的体积效应(～300%),容易导致电极材料破碎粉化,从而使得容量迅速衰减、循环稳定性下降,进而限制了其商业化的应用。由于纳米多孔Si材料的多孔结构能够有效的缓解硅的体积效应以及缩短锂离子传输路径,可以提高硅负极材料的循环稳定性和快速充放电能力而成为了研究的热点。相对于传统的纳米多孔Si材料的制备工艺,本文以天然具有纳米多孔性的稻壳为原料,制备的纳米多孔Si,具有工艺流程短、产率高、成本低廉的优势。为了获得最佳的纳米多孔Si的制备工艺参数,本文探讨了稻壳的热解温度、镁热还原反应过程对纳米多孔Si材料的孔结构、微观形貌及电化学性能的影响规律和机理。为进一步提高纳米多孔Si的库伦效率和循环稳定性,分别利用化学溶液腐蚀法和溶胶凝胶法制备了Si/Ag和Si/TiO_2复合材料,并探讨了微观形貌和电化学性能之间关系,具体内容包括：(1)纳米多孔Si材料的制备。以稻壳原料为获得了纳米多孔Si材料的最佳制备工艺参数,即SiO_2/Mg粉的质量比为1：0.88,还原温度为650℃,升温速率为1℃/min,保温时间为5h。所制备的纳米多孔Si材料的比表面为252.85m2/g,孔容为1.06cm3/g,平均孔径为20.13nm。其电化学性能测试表明,在10OmA/g的电流密度下,首次放电比容量高达3051mAh/g,首次库伦效率为59.19%,在200mA/g的电流密度下,在经过100次循环后放电比容量仍为858m Ah/g。在倍率性能测试中,在2A/g的电流密度下仍然可以保持547.6mAh/g的比容量。(2)利用AgNO_3和HF的混合溶液以及TiO_2溶胶凝胶法制备了Si/Ag和Si/TiO_2复合材料。其电化学性能显示,对于Si/Ag复合材料其首次库伦效率有了较大幅度的提高但循环稳定性衰减较快,对于Si/TiO_2复合材料其首次库伦效率不高但循环稳定性表现则十分优异,并分析了电化学性能和微观形貌之间的关系。
【关键词】：镁热还原法 纳米多孔硅 硅复合材料 锂离子电池负极材料
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.2;TB33
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 研究现状11-13
• 1.3 研究内容13-14
• 第二章 稻壳中提取纳米多孔SiO_2原料14-22
• 2.1 稻壳的煅烧15-17
• 2.2 稻壳煅烧产物的分析17-18
• 2.3 多孔SiO_2的粒度分析18
• 2.4 多孔SiO_2的微观形貌分析18-19
• 2.5 多孔SiO_2的孔结构分析19-21
• 2.6 本章小结21-22
• 第三章 纳米多孔SiO_2的还原及多孔Si的性能研究22-39
• 3.1 镁热还原纳米多孔SiO_2的动力学分析22-23
• 3.2 反应温度对镁热还原SiO_2生成多孔Si微观结构的影响研究23-25
• 3.2.1 物相分析23-25
• 3.3 SiO_2/Mg粉配比对镁热还原SiO_2生成多孔Si微观结构的影响研究25-28
• 3.3.1 物相分析25-26
• 3.3.2 拉曼光谱分析26-27
• 3.3.3 扫描电镜分析27-28
• 3.4 升温速率对镁热还原SiO_2生成多孔Si微观结构的影响研究28-30
• 3.4.1 物相分析28-29
• 3.4.2 比表面积和孔径分析29-30
• 3.5 保温时间对镁热还原SiO_2生成多孔Si微观结构的影响研究30-33
• 3.5.1 物相分析30-31
• 3.5.2 比表面积和孔径分析31-33
• 3.6 纳米多孔Si材料的电化学性能测试33-38
• 3.6.1 电极的制备和电池的组装33-34
• 3.6.2 循环伏安曲线分析34-35
• 3.6.3 循环性能和倍率性能分析35-38
• 3.7 本章小结38-39
• 第四章 纳米多孔硅复合材料的制备及其电化学性能研究39-46
• 4.1 Si/Ag复合材料的制备39-42
• 4.1.1 Si/Ag复合材料的制备工艺39-40
• 4.1.2 Si/Ag复合材料的表征测试和电化学分析40-42
• 4.2 Si/TiO_2复合材料的制备42-45
• 4.2.1 Si/TiO_2复合材料的制备工艺42-43
• 4.2.2 Si/TiO_2复合材料的表征测试和电化学分析43-45
• 4.3 本章小结45-46
• 第五章 结论及展望46-48
• 5.1 全文内容总结46-47
• 5.2 工作展望47-48
• 致谢48-49
• 作者简介49-50
• 参考文献50-53

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