氧化硅及硅基鋰離子電池負(fù)極材料的制備及電化學(xué)性能研究

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1、氧化硅及硅基鋰離子電池負(fù)極材料的制備及電化學(xué)性能研究Preparationandelectrochemicalpropertiesofsiliconoxideandsiliconbasedanodematerialsforlithiumionbatteries學(xué)科專業(yè)：材料學(xué)作者姓名：胡志鵬指導(dǎo)教師：李曉雷教授天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院二零一七年十二月Ｉ獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研宄工作和取得的研宄成果，論，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外文中不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得天津大學(xué)或其他教育機(jī)

2、構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料一。與我同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：年ｕ月日相系丨｜學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解天津大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)天津大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，并釆用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明）學(xué)位論文作者簽名：辦￥蛛導(dǎo)師簽名：簽字日期：（：＞年卜月丨日簽字日

3、期＞丨年Ｒ月丨日＼１１／摘要硅材料是一種非常具有潛力的鋰離子電池負(fù)極材料，其理論容量高達(dá)4200mAhg-1。但是硅作為鋰離子電池負(fù)極材料還存在兩個(gè)較大的問題，硅在充放電過程中巨大的體積變化和本身較差的導(dǎo)電性阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。設(shè)計(jì)特殊的緩沖結(jié)構(gòu)或復(fù)合其它導(dǎo)電性好的材料，是解決上述問題的主要辦法。本文以廉價(jià)的SiO2為原料，采用化學(xué)還原手段減少SiO2中的氧含量，提高材料的可逆容量，研究了不同還原手段對還原產(chǎn)物電化學(xué)性能的影響；同時(shí)通過復(fù)合手段將SiO2及Si與無定形碳和石墨烯復(fù)合，提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性，研究了不同復(fù)合結(jié)構(gòu)對材料電化學(xué)性能的影響。采用溶膠-凝膠法

4、和碳熱還原法制備了二氧化硅/碳（SiO2/C）復(fù)合氣凝膠材料。研究表明多孔結(jié)構(gòu)和含氧量的減少都有利于提高材料的電化學(xué)性能。該材料在0.1Ag-1的電流下循環(huán)100圈的可逆容量為480mAhg-1，并且在1.0Ag-1下的循環(huán)比容量為200mAhg-1。但是碳熱還原的還原效果較低，材料中氧的含量偏高，材料初始庫倫效率只有30%左右，比容量較低。采用水熱自組裝和鎂熱還原法制備了硅/石墨烯（Si/G）復(fù)合材料。Si/G材料的介孔結(jié)構(gòu)和石墨烯和緩沖Si的體積變化，循環(huán)穩(wěn)定性得到一定程度的提高；相比碳熱還原，鎂熱還原可將SiO2還原為Si，材料的初始庫倫效率大為提高。該材料

5、在0.1Ag-1的電流密度下循環(huán)100圈的可逆容量為580mAhg-1，在1Ag-1下的循環(huán)容量為450mAhg-1，初始庫倫效率提高到75%。采用噴霧造粒、鎂熱還原和CVD包碳得到3D多孔石墨烯/硅/碳（G/Si/C）材料。該材料在0.1Ag-1的電流下循環(huán)100圈的可逆容量達(dá)1400mAhg-1以上，容量保持率為91.7%，在10Ag-1的大電流下的容量保持在567.5mAhg-1。G/Si/C材料優(yōu)異的性能要?dú)w功于其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。微球內(nèi)部的石墨烯骨架為電子提供了高速傳輸通道，同時(shí)也緩沖Si在充放電過程中的體積變化；后續(xù)碳層的包覆既增強(qiáng)了納米Si顆粒與石墨烯

6、基體的結(jié)合強(qiáng)度，提高了材料整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，也進(jìn)一步提高了材料整體導(dǎo)電性。關(guān)鍵詞：鋰離子電池負(fù)極材，二氧化硅，硅，石墨烯，鎂熱還原，電化學(xué)性能IABSTRACTSibasedmaterialsarethemostpromisingmaterialbecauseofitshightheoreticalcapacityof4200mAh.g-1.However,thepracticaluseofsiliconinLIBshasbeenmainlyhinderedbyitshugevolumeexpansion(>300%)andlowconductivity.Desi

7、gningporousmicrostructureorcompoundingSiparticleswithotherhighconductivematerialsisaneffectivestrategytoovercometheseproblems.SiO2/CcompositesweresynthesizedviacarbonizationofSiO2/RFaerogelprecursor.Theeffectsofdryingmethodandcarbonizationtemperatureonelectrochemicalpropertieswereinve

8、stiga