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《东南大学》 2017年
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多孔硅基电极材料的制备及电化学性能研究

庄向阳  
【摘要】:硅具有储锂容量高、地球资源丰富等优点,有望成为下一代锂离子电池的负极材料。但是Si电极在嵌锂/脱锂的过程中具有显著的体积效应(~300%),导致电极材料易粉化,循环稳定性较差。对此,本研究探索了以多孔结构改进硅基材料的电化学性能。本文先以介孔二氧化硅SBA-15为前驱体,通过镁热还原法制备了多孔硅材料。XRD、SEM、TEM、BET等结构分析表明,所得的产物基本保留了前驱体的介孔结构,孔径约为15 nm。为了提高多孔Si的电化学性能,本文设计了预压片处理-镁热还原的制备工艺。经过压片预处理,镁热反应的温度降低至430~435 ℃,远低于未压片样品的反应温度。对产物进行SEM、TEM和BET测试,结果显示反应产物Si为均匀的大孔结构,孔径为60~200 nm,不同于未压片制备的介孔硅。恒流充放电测试结果表明,该改进的镁热还原工艺制备的大孔硅在100次循环后,容量仍具有1110 mAh g-1,大约为介孔硅的6倍,循环稳定性大幅提高;同时,首次库伦效率从介孔硅的60.6%,提高到了 86.5%。对MgO/SBA-15混合粉末预压处理后样品和未预处理样品的堆积密度进行测量,结果显示,10 MPa压片样品的堆积密度为1.602 g cm-3,是不压片样品堆积密度(0.118 g cm-3)的13.6倍,较高的堆积密度会导致反应释放的热量更加集中,使样品实际温度远高于设定温度,因而反应更容易被触发,表现出较低的反应温度。此外,热量聚集引发的过热状态使前驱体结构崩塌,产物Si的晶粒长大。同时,压片的样品具有较高的热导率,因而热量容易传导和交换,过热时热量分布会更加均匀,因而产物形貌较为均匀。本文还尝试了用稻壳灰代替SBA-15作为前驱体,采用预压片处理-镁热还原工艺制备多孔硅。测试结果显示,以稻壳灰为前驱体制备的大孔硅的结构、性能和以SBA-15为前驱体制备的大孔硅相似,说明该工艺制备多孔硅对前驱体的结构依赖性较小。受镁热还原产物为MgO/Si复合相的启发,本文还设计了以纳米MgO颗粒作为硬模板造孔制备硅-多孔碳负极材料的方法,并对硅-多孔碳负极材料的结构和电化学性能进行了分析。分析结果显示,硅-多孔碳材料具有分级孔道结构,并展现出较好的循环稳定性和倍率性能。
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ127.2;TM912

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