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《硅碳負極材料的制備及其電化學性能研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在學術論文-天天文庫。
1、學校代碼10530學號201510141410分類號0646密級公開碩士學位論文硅碳負極材料的制備及其電化學性能研究學位申請人魯冰指導教師王先友教授學院名稱化學學院學科專業(yè)化學研究方向物理化學二零一八年六月PreparationandElectrochemicalPerformanceofSi/CAnodeMaterialsforHighPerformanceLithium-IonBatteriesCandidateBingLuSupervisorProf.XianyouWangCollegeChemistryProg
2、ramPhysicalChemistrySpecializationElectrochemistryDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDateJune2018摘要近年來，Si因為超高的理論比容量(3572mAh/g)和合適的工作電位(?0.4VvsLi/Li+)而被認為是下一代最具前景和希望的鋰離子電池負極材料。然而，在Si脫/嵌鋰的過程中，巨大的體積膨脹使電極材料發(fā)生粉化、坍塌和脫落，導致較差的循環(huán)性能，嚴重制約了Si作為高性能負極材料的工業(yè)化應用。針對
3、Si作為鋰離子電池負極材料時所存在的問題，本文主要通過設計和合成具有不同形貌和結構的納米Si材料，再分別結合導電性極佳的碳材料和具有優(yōu)異穩(wěn)定性的金屬氧化物，解決Si作為負極材料的缺陷問題并取得了優(yōu)異的電化學性能。本文取得的創(chuàng)新性成果如下：(1)首先通過水熱法制備得到玉米狀三維有序介孔二氧化硅，以其為硅源和模板，鎂熱還原法制備得到三維有序介孔硅。再以聚吡咯為碳源和氮源，制備了玉米狀的氮摻雜有序介孔硅碳復合材料。結果表明，在電流密度為0.2A/g，0.01-1.5V的條件下首次放電比容量高達2548mAh/g，首次庫倫效率
4、為71.4%，以1A/g的電流密度循環(huán)200圈后，容量仍有1336mAh/g并且平均庫倫效率高達99.36%。該材料同樣表現(xiàn)了優(yōu)異的倍率性能，在8A/g大倍率下，其放電比容量高達781.2mAh/g。在充放電過程中利用有序介孔硅豐富的孔道結構有效地緩解硅的體積膨脹，而其表面包覆的一層氮摻雜的碳材料則能在循環(huán)過程中增加電子傳輸速率，促進快速充放電并抑制硅的體積膨脹、粉化等問題，進一步保障了硅的結構穩(wěn)定性。(2)采用無模板法制備得到合適壁厚的空心SiO2球，以其為硅源，通過鎂熱還原法制備得到空心硅球。再以溶膠凝膠法包覆Ti
5、O2和C層，進而得到了一種新型的雙層穩(wěn)定的空心Si@TiO2@C納米球負極材料。電化學測試結果表明，空心球結構的Si@TiO2@C材料在0.2A/g的電流密度下，首次放電容量為2557.1mAh/g，庫倫效率為86.06%，在1A/g的電流密度下，250次循環(huán)后，其可逆放電比容量仍有1270.3mAh/g，平均庫倫效率為99.53%。該材料也表現(xiàn)出極佳的倍率性能，在電流密度為8A/g時，放電容量仍有718.2mAh/g。在循環(huán)過程中，Si@TiO2@C復合材料利用其壁厚適宜的空心結構給Si的體積膨脹預留了空間，同時豐富
6、的孔道結構縮短了Li+和電子的擴散和轉移路徑。而外部的TiO2和C層可以控制硅在巨大的應力/應變下，使膨脹向內而不向外，保證了循環(huán)過程中結構的完整性，C層也大大改善了復合材料的導電性。(3)為了選取適宜規(guī)?；?、批量制備納米硅的材料，我們以廉價的高純光伏單晶硅廢料作為硅源，設計并制備了含硅量為8.4%的分層次Si/FG/C復合材料。研究結果表明，當電流密度為0.2C(128mA/g)時，其首次放電容量高達634ImAh/g，200次循環(huán)后容量保持率為81.5%，平均庫倫效率為98.9%。具有層次性結構的鱗片石墨不僅可以大
7、大的提高復合材料的導電性，而且可以作為機械骨架以使夾層中的納米硅都保持電化學活性。而包覆在納米硅和鱗片石墨表面的碳材料可以極大地改善材料的循環(huán)穩(wěn)定性，并促進SEI膜在復合材料外部生長，而不是在各個納米硅粒子表面重復生長。關鍵詞：硅負極材料；結構設計；表面包覆；微納結構；電化學性能IIAbstractInrecentyears,Sihasbeenconsideredasthemostpromisingandprospectiveanodematerialforthenextgenerationlithiumionbatt
8、erybecauseofitsultrahightheoreticalcapacity(3572mAh/g)andappropriateoperatingvoltage(?0.4VvsLi/Li+).However,thehugevolumeexpansionofSicausesthegenerationofpulverizati
