鋰離子電池硅基氧化物復(fù)合負(fù)極材料制備及性能研究

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1、學(xué)號(hào)12101204常州大學(xué)碩士學(xué)位論文鋰離子電池硅基氧化物復(fù)合負(fù)極材料制備及性能研究研究生魏恒馬指導(dǎo)教師任玉榮學(xué)科、專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)材料物理與化學(xué)研究方向新能源材料與器件2015年4月PreparationandpropertiesofSilicon-oxidecompositesforlithiumionbatteriesADissertationSubmittedtoChangzhouUniversityByWeiHeng-maMaterialsPhysicsandChemistryDissertationSupervisor:AssociateProfessorRenYu-rongA

2、pril，2015常州大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在論文中以明確方式標(biāo)明。本人已完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。作者簽名：簽字日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)的說(shuō)明本學(xué)位論文作者完全了解常州大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬常州大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)，允許論文被查閱和借閱。學(xué)?？梢怨紝W(xué)位

3、論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編本學(xué)位論文。保密論文注釋?zhuān)罕緦W(xué)位論文屬于保密范圍，在年解密后適用本授權(quán)書(shū)。非保密論文注釋?zhuān)罕緦W(xué)位論文不屬于保密范圍，適用本授權(quán)書(shū)。學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：年月日導(dǎo)師簽名：簽字日期：年月日中文摘要鋰離子電池具有比能量高、工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，因而其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。負(fù)極是鋰離子電池的重要組成部分，一直是人們的熱點(diǎn)。目前商業(yè)化的鋰離子電池負(fù)極材料主要以石墨類(lèi)碳材料為主，但其容量較低，從而制約了鋰離子電池大規(guī)模應(yīng)用。硅負(fù)極材料與其他負(fù)極材料相比，具有比容量高、脫嵌鋰電壓低，與電解液反應(yīng)活性低等

4、優(yōu)點(diǎn)，但在充放電過(guò)程中體積變化較大，造成活性物質(zhì)的粉化和剝落，導(dǎo)致容量的迅速衰減，從而阻止了硅材料的商業(yè)化應(yīng)用。與Si相比，SiO2具有更低的價(jià)格，儲(chǔ)量更豐富，循環(huán)過(guò)程體積變化更小，是一種理想的鋰離子電池負(fù)極材料。由于SiO2的強(qiáng)Si-O鍵和低電導(dǎo)率問(wèn)題，使得SiO2電化學(xué)活性較低。本論文通過(guò)對(duì)SiO2表面包覆，靜電紡絲制備SiO2/C復(fù)合纖維材料，制備SiO2@C@石墨烯復(fù)合材料等方法，增強(qiáng)SiO2的導(dǎo)電性，提高材料的電化學(xué)活性，并對(duì)材料結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征，主要研究?jī)?nèi)容如下：（1）采用在納米SiO2表面包覆聚苯胺，并經(jīng)過(guò)熱處理后，制備了SiO2/C納米復(fù)合材料。通過(guò)改變不同的碳化

5、溫度，得到了不同結(jié)構(gòu)和形貌的SiO2/C納米復(fù)合材料，研究了碳化溫度對(duì)材料性能的影響。碳化溫度較低時(shí)，SiO2/C納米復(fù)合材料存在大量團(tuán)聚，隨著碳化溫度的升高，團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少。SiO2/C納米顆粒類(lèi)似球形，外表包覆了一層碳。同時(shí)，SiO2/C納米復(fù)合材料顆粒間也是通過(guò)熱解碳連接。測(cè)試結(jié)果表明，SiO2/C-600具有最佳的電化學(xué)性能，首次放電和充電比容量分別948.2mAh/g和676.6mAh/g，首次庫(kù)倫效率為71.3%。50次循環(huán)后，可逆比容量仍然保持在600mAh/g以上。這是由于隨著碳化溫度的升高，碳層的結(jié)晶度和導(dǎo)電性提高。同時(shí)，碳層中N元素含量發(fā)生變化，而N元素含量對(duì)電

6、極電化學(xué)性能具有重要影響。（2）采用靜電紡絲法制備了SiO2/PVP原絲，再經(jīng)過(guò)預(yù)氧化和碳化過(guò)程，制備了SiO2/C復(fù)合纖維材料。通過(guò)改變納米SiO2加入量，得到了不同形貌的復(fù)合纖維材料，研究了SiO2的加入量對(duì)復(fù)合纖維材料電化學(xué)性能的影響。復(fù)合材料具有纖維狀形貌，纖維直徑在500nm左右，且纖維彎曲。纖維間縱橫交錯(cuò)形成網(wǎng)狀分布，纖維間也存在大量的空隙。隨著SiO2加入量的增加，纖維表面由光滑變得粗糙，并出現(xiàn)大量SiO2的團(tuán)聚。測(cè)試結(jié)果表明，SiO2/C-0.3復(fù)合纖維材料具有最佳的電化學(xué)性能，首次放電和充電比容量分別為740.3mAh/g和503.7mAh/g，首次庫(kù)倫效率為68.

7、4%。50次循環(huán)后，可逆容量仍然有468.9mAh/g。SiO2/C復(fù)合纖維材料中納米SiO2與導(dǎo)電基體有著良好的電接觸，而且復(fù)合纖維間存在大量空隙，為充放電過(guò)程中的體積變化提供了緩沖空間，從而提高了復(fù)合纖維材料的循環(huán)性能。（3）以氧化石墨（GO）、葡萄糖和SiO2納米顆粒為原料，采用兩步水熱法以及后續(xù)熱處理，制備了SiO2@C@石墨烯復(fù)合材料。對(duì)比研究了石墨烯的加入對(duì)材料電化學(xué)性能的影響。與純納米SiO2相比，SiO2@C@石墨烯復(fù)合物的首次放電和充電容