三维结构基底负载硅薄膜负极材料的制备及性能研究

摘要

硅材料因具有高质量比容量、较低的电压平台、价格低廉、原料来源丰富等优点成为最有潜力的锂离子电池负极材料之一。但硅负极材料在充放电的过程中发生严重的体积变化。并且硅材料的导电性差，导致其循环性能和倍率性能差。针对上述问题，本论文尝试通过采用不同形貌的三维硅薄膜材料和使用新型硅基负极料料粘结剂这两条途径来提高硅基材料的电化学性能。
　　首先采用磁控溅射的方法在泡沫镍的表面制备了三维网状结构的硅薄膜材料。当厚度为200nm时，在4.2A/g的电流密度下充放电300周后，容量高达1472mAh/g。基于上述三维结构薄膜能提高硅材料电化学性能的实验，我们制备不同三维结构的基底，通过磁控溅射制得一批性能优异的硅薄膜材料:(1)通过化学腐蚀和电化学还原的方法，在铜片的表面制备树叶状三维多孔结构，再沉积厚度分别为0.2、0.4、0.6和1μm的硅薄膜。厚度为0.2μm的硅薄膜材料具有优异的循环性能和倍率性能，在0.8A/g的电流密度下充放电200周后容量为1461mAh/g;当硅薄膜的厚度增加至1μm（硅薄膜中间夹入两层厚度为10nm的金属Al薄膜），前120周保持着优异的循环性能，且极片保持了良好的完整性。(2)采用化学腐蚀和电化学还原的法，在泡沫铜的表面制备针状三维多孔结构，再沉积得到厚度为0.6和1μm的硅薄膜材料。当厚度为0.6μm时，以0.8A/g的电流密度充放电500周后，容量保持在1132mAh/g，循环性能优异;当厚度为1μm时，以2.1A/g的电流密度充放电100周后，容量为1208mAh/g。
　　本文还研究了一种新型硅基材料粘结剂-瓜尔豆胶。使用瓜尔豆胶作为粘结剂时，硅基材料的性能明显优于使用CMC、海藻酸钠等作为粘结剂时的性能。当电流密度为3.43A/g时，以瓜尔豆胶作为粘结剂的Si/C负极材料充放电100周后容量为1283mAh/g，而以海藻酸钠作为粘结剂的Si/C负极材料充放电100周后，容量为991mAh/g。
　　综上所述，本论文研究表明三维结构是提高硅负极材料电化学性能的一种有效方法。同时还首次提出采用瓜尔豆胶作为锂离子电池硅基材料的粘结剂，研究表明该粘结剂能大幅提高硅基材料的电化学性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 薄膜锂离子电池研究进展

1．3 锂离子电池正极材料

1．3．1 层状LiMO2(M=Co，Ni)

1．3．2 锰系正极材料

1．3．3 橄榄石LiMPO4

1．4 锂离子电池负极材料的发展

1．4．1 碳负极材料

1．4．2 金属氧化物

1．4．3 锡基合金材料

1．4．4 Si基负极材料

1．5 本论文的目的和研究计划

参考文献

第二章 仪器药品与试验方法

2．1 主要的化学试剂和材料

2．2 实验表征手段与仪器

2．2．1 磁控溅射技术

2．2．2 扫描电子显微镜

2．2．3 透射电子显微镜(TEM)

2．2．4 X-射线粉末昌体衍射技术(XRD)

2．2．5 X射线光电子能谱(XPS)测试

2．2．6 循环伏安技术

2．2．7 恒电流充放电测试

2．3 材料制备

2．3．1 材料合成的工艺及配方

2．3．2 电极片的制作流程

2．4 电池的组装

参考文献

第三章 泡沫镍基硅薄膜负极材料的制备及性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．3 结果与讨论

3．3．1 三维网状结构硅薄膜材料的形貌表征

3．3．2 三维网状结构硅薄膜材料的XPS表征

3．3．3 三维网状结构硅薄膜材料的电化学性能

3．3．4 三维网状结构硅薄膜材料充放电完成后极片的SEM表征

3．3．5 三维网状结构硅薄膜材料充放电过程中的电化学阻抗

3．4 本章小结

参考文献

第四章 三维多孔基底负载Si薄膜材料的制备及性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 树叶状／针状CuO的制备

4．2．2 树叶状／针状多孔Cu的制备

4．2．3 树叶状／针状基底负载Si薄膜材料的制备

4．3 化学腐蚀制备三维多孔CuO的原理

4．4 树叶状多孔Cu制备的条件探索

4．5 结果和讨论

4．5．1 树叶状多孔基底负载Si薄膜(以下简称树叶状多孔Si薄膜)材料的组成分析

4．5．2 树叶状多孔Si薄膜材料的电化学性能

4．5．3 针状多孔基底负载Si薄膜(以下简称针状多孔Si薄膜)材料的性能研究

4．6 本章小结

参考文献

第五章 瓜尔豆胶作为Si基负极材料粘结剂的性能研究

5．1 前言

5．2 瓜尔豆胶的性质和结构

5．2．1 瓜尔豆胶的性质

5．2．2 瓜尔豆胶的结构

5．3 电化学性能研究

5．3．1 粘结剂的质量分数为29％

5．3．2 粘结剂的质量分数为15％

5．5 本章小结

参考文献

第六章 结论和展望

作者攻读硕士期间发表的论文

致谢