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《中国科学院宁波材料技术与工程研究所》 2016年
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硅基锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能研究

孙自许  
【摘要】:锂离子电池是有前途的能源存储系统,广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、国家电网等领域。为了满足需要更高能量密度电动汽车领域的要求,目前人们对具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命的电极材料进行了广泛的研究。在这些材料中,硅基材料由于它的安全性、储量丰富、具有相对较低的放电电压(0.5 V)以及具有大于石墨负极十倍的4200 mAh g~(-1)理论比容量等优点,最有可能取代目前商业化的石墨负极材料。但是,在锂化与去锂化过程中,产生巨大的体积膨胀(300%),导致硅颗粒的粉化、不稳定的固体电解质界面膜的生成,从而导致电极具有较差的循环性能。此外,硅材料的较差的导电性导致较差的倍率性能和快速的容量衰减。因此,制备电化学性能优异的硅基负极材料具有非常重要的应用价值。本论文的主要研究工作是采用不同的方法制备优异电化学性能的硅基负极材料,具体内容如下:(1)与金属硅和石墨包覆的金属硅相比,利用一种简单有效的方法制备的三明治结构的MS-G@C复合物展现出良好的电化学性能。电化学性能得到提升的原因如下:利用碳包覆金属硅形成的三明治结构可以避免与电解液的直接接触;根据四探针测试和密度泛函理论计算金属硅颗粒具有高的导电率。将所得到的材料进行电化学性能测试,分别在0.5 C,1 C,和5 C的电流密度下,MS-G@C电极可以获得830,650和252.2 mAh g~(-1)的比容量。这种方法简单、价格低廉为大规模生产锂离子电池负极材料提供了可能。(2)包覆在碳骨架中超细SiOx(x=1.57,2 nm)的复合材料通过简单的热聚合过程以及随后的热处理过程合成出来。在复合材料中,碳骨架可以提供连续的导电网络提高复合材料的导电性,同时可以缓冲充放电过程中产生的体积膨胀从而避免活性物质从集流体上脱落。超细的SiOx纳米颗粒可以缓冲锂化去锂化过程中产生的机械应力,同时可以缩短锂离子和电子的扩散与传递路径。结果,这种复合材料作为锂离子电池负极材料在500 mA g~(-1)的电流密度下,经过200次循环后仍然有540 mAh g~(-1)的比容量。这种材料表现出良好的电化学性能,有望成为新一代锂离子电池负极材料。(3)我们首次使用Cu-MOF作为骨架制备出前驱体Cu-MOF@SiO_2然后经过热处理过程成功的制备出了中空结构的SiO_2-Cu-C复合材料。在复合材料中,由于中空结构的存在,可以缓冲在嵌锂/脱锂过程产生的巨大体积膨胀和机械应力,从而可以获得电极的结构完整性和长的循环稳定性。由MOF骨架分解而产生的均匀分布的、超细的5 nm铜颗粒和碳物质不仅可以提高复合材料的结构与界面的稳定,同时可以避免SiO_2纳米颗粒的团聚和缓冲材料的体积膨胀。这种材料做为锂离子电池负极材料在500 mA g~(-1)的电流密度下,经过400次循环后,仍然有495 mAh g~(-1)的比容量。我们制备出一种首次库伦效率较高的硅基负极材料,这种硅材料伴随着Cu和C颗粒分散在氧化石墨烯-碳纳米管骨架中。这种复合材料具有较高的首次库伦效率(82.3%),此外在2 A g~(-1)的电流密度下经过100次循环后,仍然有1268 mAh g~(-1)的比容量,电化学性能要优于Si-Cu-C复合材料。电化学性能得到提高归因于以下两个方面:Cu和C的存在可以增强复合材料的导电性和促进电子的转移;RGO-CNT骨架可以阻止硅纳米颗粒与电解液的直接接触,避免SEI膜的持续形成。(4)Si/C复合材料是一种有前途的高能锂离子电池负极材料。但是,目前大规模、低成本的制备高性能硅基材料仍然是一个巨大的挑战。我们首次利用改进后的喷雾干燥法制备出三维多孔交联结构的硅基复合材料。在这种特殊的结构中,牢固的C-CNT-RGO骨架不仅可以提高电极的导电性,而且可以缓冲体积膨胀和抑制硅纳米颗粒的团聚。这种3D Si@po-C/CNT/RGO电极表现出优异的电化学性能。在2 A g~(-1)的电流密度下经过500次循环后仍然有854.9 mAh g~(-1),分别在1,2,4,10和20 A g~(-1)的电流密度下,可以获得1454.7,1198.8,949.2,597.8和150 mAh g~(-1)的比容量。此外,这种电极材料在不同的负载量也表现出良好的电化学性能(负载量为1.0 mg cm~(-2)经过500次循环后仍有764.9 mAh g~(-1),负载量为1.5 mg cm~(-2)经过400次循环后仍有472.2 mAh g~(-1))。这种简单有效的方法可以扩展到其他高容量负极材料(Sn,Ge,过渡金属氧化物)和多孔碳材料上。
【学位授予单位】:中国科学院宁波材料技术与工程研究所
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM912

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