高性能硅碳锂离子电池负极材料的制备及性能研究

摘要

硅作为锂离子电池负极材料，具有非常高的理论比容量（4200 mAh g-1）、较低的嵌脱锂电位以及与电解液反应活性低等性质。但是，硅基负极在嵌脱锂过程中会出现体积膨胀（~300％），使得硅颗粒破碎、粉化，且使电极失去电活性，从而导致容量衰减；此外，硅的较低电导率和较差倍率性能也严重影响了其作为商业负极方面的应用。本文以纳米硅粉为硅源，以甲阶酚醛树脂为碳源，采用两种不同的制备方法合成了硅碳复合材料，并对其形貌、结构和电化学性能进行了研究。主要研究成果如下：
　　（1）采用溶剂挥发诱导自组装合成法，在纳米硅粉上原位合成单壁碳纳米管/有序介孔碳三维导电网络，制得硅/单壁碳纳米管/有序介孔碳（Si/SWCNT/OMC）复合材料，并用SEM、TEM、BET、TGA和XRD等测试手段对材料的微观形貌和结构进行了表征。针对电化学性能，制备三种含有不同质量比例的硅碳复合材料与原材料进行了对比。结果表明：实验制得含有17 wt.%，41 wt.%，58 wt.%硅的Si/SWCNT/OMC复合材料，在电流密度为400 mA g-1下，硅含量为41 wt.%时，性能最好，首次放电比容量高达1741.6 mAh g-1，首次库仑效率为70.8%。经过50次循环后，可逆放电比容量仍高达848.7 mAh g-1，表现出良好的循环性能；通过不同电流密度下的充放电测试，材料显示了良好的倍率性能。Si/SWCNT/OMC优异的电化学性能，主要归因于单壁碳纳米管和均一有序介孔孔道结构。其中，单壁碳纳米管具有良好的导电性与弹性；具有高比表面积和稳定机械性能的有序介孔碳构成了导电网络结构，使该复合材料能有效释放硅体积变化产生的应力，且为锂离子和电子的快速传输提供保证。
　　（2）采用静置挥发法，在泡沫铜表面包覆含有硅粉的甲阶酚醛树脂，得到无需粘结剂的硅粉/无定形碳/泡沫铜（Si/C/Cu）整体负极材料，通过SEM、TEM、XRD和TGA等测试手段对材料微观形状与结构进行了表征。采用恒流充放电测试其电化学性能，研究了两种复合材料Si-0.55/C/Cu和Si-0.625/C/Cu对电池比容量的影响。结果表明：Si-0.55/C/Cu整体电极电化学性能优异，且在100 mA g-1的电流密度下，经过50次充放电循环后，放电比容量仍高达907 mAh g-1；通过不同电流密度下的充放电测试，在电流密度为1000 mA g-1时，电池的可逆容量仍然可以保存在470 mAh g-1，显示了良好的倍率性能。Si/C/Cu优异的电化学性能，主要归因于，泡沫铜的多孔结构，为硅粉的体积膨胀提供了空间；具有良好机械稳定性能的无定形碳层，有效地缓释了硅在发生膨胀时产生的应力。

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1 绪论

1.1 锂离子电池概述

1.2 锂离子电池的工作原理和结构

1.3 锂离子电池负极材料的研究进展

1.4 碳纳米管作为锂离子电池负极材料的研究应用

1.5 介孔碳作为锂离子电池负极材料的研究应用

1.6 硅基材料作为锂离子电池负极材料的研究应用

1.7 本文的研究意义和研究内容

2 三维网状Si/SWCNT/OMC复合材料的制备及研究

2.1引言

2.2 实验部分

2.3 复合材料Si/SWCNT/OMC的制备及性能测试

2.4实验结果与分析

2.5 本章小结

3 三维网状Si/C/Cu复合材料的制备及性能测试

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 复合材料Si/C/Cu的制备及性能测试

3.4 实验结果与分析

3.5 本章小结

4 总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

参考文献

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