锂离子电池多孔硅基负极材料的制备及其电化学性能研究
发布时间：2021-03-07 19:54
在众多的锂离子电池负极材料中,硅因其较高的理论比容量(4200 mAh g-1)和体积比容量(9786 mAh cm-1)受到了广泛关注。然而硅在充放电过程中产生巨大的体积变化使其颗粒破裂并最终破碎,导致循环性能急剧衰减。通过设计多孔结构以及将硅与高导电率的石墨烯和碳纳米管等材料进行复合可有效解决以上问题,并显著提升硅基负极材料的储锂性能。本论文选择以商用铝硅合金为原材料,通过选择性化学刻蚀工艺得到不同铝残余量且具有微/纳米分级结构特征的多孔硅微球,再通过二氧化碳氧化工艺、静电自组装工艺和化学气相沉积工艺等一系列的改性手段,制备出异质微纳米分级结构特征的多孔硅@石墨烯（HH-P-Si@G）、多孔硅@石墨烯@碳纳米管（P-Si@GNF@CNTs）、多孔硅@氧化铝@碳（P-Si@Al2O3/C）等多种多孔硅基负极材料,并对其储锂性能进行了深入研究,主要研究结果如下:（1）以市售的铝硅合金为原材料,用稀盐酸进行选择性刻蚀制备内部孔隙含量丰富的多孔硅材料,内部的丰富空隙可以容纳硅在嵌锂过程中的体积膨胀,防止...
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池组成示意图：a.圆柱型锂离子电池b.方型锂离子电池c.纽扣锂离子电池d.薄膜锂离子电池Fig.1.1DiagramofLi-ionbatterycomposition:a.CylindricalLi-ionbatteryb.SquareLi-ion
第一章绪论4图1.2锂离子电池充放电原理示意图Fig.1.2Charge/dischargeschematicdiagramofLi-ionbattery1.3锂离子电池负极材料发展现状及进展正极材料和负极材料均为锂离子电池的重要组成部分。考虑到本论文的重点在于研发高性能的锂离子电池负极材料，因此有关正极材料的相关研究进展在这里不再进行一一赘述。本章节将主要概述负极材料的研发现状及进展。随着正极材料制备技术日趋成熟，部分正极材料的比容量已基本接近理论容量了，这意味着研发高性能负极材料将成为提高锂离子电池能量密度的替代途径之一，有关负极材料的研发工作也越来越受到广大研究工作者的重视。根据已有研究结果，理想的锂离子电池负极材料应满足以下几点要求：（1）材料的电子电导率和离子电导率要高，能适应大电流充放电，倍率性能较好；（2）对锂电位较低，电池要获得高电压，需接近锂的电位；（3）材料来源广，易获得，低毒且不污染环境；（4）脱嵌锂过程中结构保持稳定，具有较长循环寿命；（5）能够与电解液之间形成稳定的固态电解质中间相膜（即SEI膜），确保获得较高的库伦效率，与电解液接触不会发生过多副反应，减少Li+过度消耗。目前，主要研究的负极材料有碳负极材料、金属材料、合金材料、氧化物材料等。
土?某杀镜扔诺悖?欠浅＠硐?的锂离子电池负极材料，主要包括人造石墨和天然鳞片石墨。天然石墨具有容量高、压实密度高以及价格低廉等优点，但其颗粒大小不一，粒径分布范围较大，加上表面缺陷较多，与电解液的相容性较差会导致副反应的产生，因而需经过一系列的加工后才能用作锂离子电池负极。人造石墨各项性能指标相比天然石墨都更为均衡，具有优异的循环性能，是良好的锂离子电池负极材料。石墨类材料作为负极材料最大不足之处在于其容量仅有372mAhg-1，远远满足不了目前市场对大功率大能量密度电池负极材料的需求。图1.3石墨晶体结构Fig.1.3Schematicdiagramofthecrystalstructureofgraphite（2）无定形碳材料无定形碳材料是碳的同素异形体中的一类，主要分为硬碳材料和软碳材料两大类。软碳是一种石墨化程度高的无定型碳，在2500℃以上的高温下能够石墨化。软碳材料主要包括石油焦、碳纤维、针状焦、碳微球等[8]。软碳材料具有层间距较大，结构有序等优点，有利于Li+的快速迁移，但是其首次充放电不可逆容量高，输出电压低，性能较差，一般不直接做负极材料，是制造天然石墨的原料。硬碳是热解高分子聚合物之后形成的碳，与软碳不同的是，即使温度在2500℃以上，也难以石墨化。硬碳材料主要是树脂碳、有机聚合物热解碳、碳黑等[9]。硬碳材料结构稳定，具有较高的比容量(~600mAhg-1)和优异的循环性能，但是硬碳材料首次库伦效率较低，容量衰减严重。这些缺点导致硬碳材料难以实现商
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池用高容量硅/碳复合负极材料（英文）[J]. 亓鹏,陈云贵,朱丁,徐程浩,黄丽宏,段晓波. 稀有金属材料与工程. 2014(05)
[2]包覆天然石墨作锂离子电池负极材料的研究[J]. 邓凌峰,陈洪,邓高聪. 电池工业. 2009(04)
本文编号：3069709
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池组成示意图：a.圆柱型锂离子电池b.方型锂离子电池c.纽扣锂离子电池d.薄膜锂离子电池Fig.1.1DiagramofLi-ionbatterycomposition:a.CylindricalLi-ionbatteryb.SquareLi-ion
第一章绪论4图1.2锂离子电池充放电原理示意图Fig.1.2Charge/dischargeschematicdiagramofLi-ionbattery1.3锂离子电池负极材料发展现状及进展正极材料和负极材料均为锂离子电池的重要组成部分。考虑到本论文的重点在于研发高性能的锂离子电池负极材料，因此有关正极材料的相关研究进展在这里不再进行一一赘述。本章节将主要概述负极材料的研发现状及进展。随着正极材料制备技术日趋成熟，部分正极材料的比容量已基本接近理论容量了，这意味着研发高性能负极材料将成为提高锂离子电池能量密度的替代途径之一，有关负极材料的研发工作也越来越受到广大研究工作者的重视。根据已有研究结果，理想的锂离子电池负极材料应满足以下几点要求：（1）材料的电子电导率和离子电导率要高，能适应大电流充放电，倍率性能较好；（2）对锂电位较低，电池要获得高电压，需接近锂的电位；（3）材料来源广，易获得，低毒且不污染环境；（4）脱嵌锂过程中结构保持稳定，具有较长循环寿命；（5）能够与电解液之间形成稳定的固态电解质中间相膜（即SEI膜），确保获得较高的库伦效率，与电解液接触不会发生过多副反应，减少Li+过度消耗。目前，主要研究的负极材料有碳负极材料、金属材料、合金材料、氧化物材料等。
土?某杀镜扔诺悖?欠浅＠硐?的锂离子电池负极材料，主要包括人造石墨和天然鳞片石墨。天然石墨具有容量高、压实密度高以及价格低廉等优点，但其颗粒大小不一，粒径分布范围较大，加上表面缺陷较多，与电解液的相容性较差会导致副反应的产生，因而需经过一系列的加工后才能用作锂离子电池负极。人造石墨各项性能指标相比天然石墨都更为均衡，具有优异的循环性能，是良好的锂离子电池负极材料。石墨类材料作为负极材料最大不足之处在于其容量仅有372mAhg-1，远远满足不了目前市场对大功率大能量密度电池负极材料的需求。图1.3石墨晶体结构Fig.1.3Schematicdiagramofthecrystalstructureofgraphite（2）无定形碳材料无定形碳材料是碳的同素异形体中的一类，主要分为硬碳材料和软碳材料两大类。软碳是一种石墨化程度高的无定型碳，在2500℃以上的高温下能够石墨化。软碳材料主要包括石油焦、碳纤维、针状焦、碳微球等[8]。软碳材料具有层间距较大，结构有序等优点，有利于Li+的快速迁移，但是其首次充放电不可逆容量高，输出电压低，性能较差，一般不直接做负极材料，是制造天然石墨的原料。硬碳是热解高分子聚合物之后形成的碳，与软碳不同的是，即使温度在2500℃以上，也难以石墨化。硬碳材料主要是树脂碳、有机聚合物热解碳、碳黑等[9]。硬碳材料结构稳定，具有较高的比容量(~600mAhg-1)和优异的循环性能，但是硬碳材料首次库伦效率较低，容量衰减严重。这些缺点导致硬碳材料难以实现商
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池用高容量硅/碳复合负极材料（英文）[J]. 亓鹏,陈云贵,朱丁,徐程浩,黄丽宏,段晓波. 稀有金属材料与工程. 2014(05)
[2]包覆天然石墨作锂离子电池负极材料的研究[J]. 邓凌峰,陈洪,邓高聪. 电池工业. 2009(04)
本文编号：3069709
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