高性能锂离子电池硅/碳复合负极材料研究

摘要

锂离子电池因其具有能量密度大、开路电压高、循环寿命长及无污染等优点,已成为便携式电子产品中最广泛采用的二次电池。但是,随着便携式电子产品小型化发展及锂离子电池在航空、军事及汽车产业中的需求日益旺盛,电池的容量和能量密度均亟待大幅度提高。目前,商品化锂离子电池主要采用具有优异循环性能的改性天然石墨和人造石墨作为其负极材料,但因其理论比容量较低(LiC6 vs. 372 mAh/g),因此人们对于新型高比容量、长循环寿命负极材料寄予厚望。
　　单质硅的理论嵌锂容量高(Li4.4Si vs. 4200mAh/g)、嵌/脱锂电位理想、与电解液反应活性低及在地壳中储量丰富而成为下一代锂离子电池负极材料研究的热点。然而将硅作为锂离子电池负极材料其可逆性能并不理想,这是由硅的本征电导率低及硅在锂离子嵌/脱过程中体积变化巨大(80%~400%)两个因素引起的。
　　研究发现,通过控制硅颗粒的微观形貌和包覆改性处理,制备三维多孔硅及多孔硅/碳复合材料,可有效提高其可逆容量并改善其循环稳定性。以硅粉、镁粉为原料,采用高温固相烧结工艺以及稀盐酸刻蚀的方法制备了具有三维多孔结构的单质硅粉,并以葡萄糖为有机物前驱体,在负压环境下,将有机物前驱体溶液引入多孔硅的三维孔隙中,再通过水热炭化以及高温烧结后获得了循环性能优异的多孔硅/碳复合负极材料。10次循环后,复合材料嵌锂比容量为910.6mAh/g；100次循环后,其可逆容量仍维持在608.7mAh/g,平均每周次的容量衰减率仅为0.41%。
　　利用天然石墨良好的导电性、循环稳定性和无定形碳对硅在嵌/脱锂过程中体积效应的缓冲作用,以SiO、蔗糖和天然石墨为原料,采用高能球磨法及高温热解工艺,制备了具有高容量且循环性能优异的SiO/C/G复合负极材料。得到的复合材料首次可逆容量高达1068.7mAh/g,100次循环后可逆容量仍维持在1108.9mAh/g,容量保持率为103.8%。简单、环保的制备工艺以及优异的电化学性能,使得该复合材料有望作为新型负极材料应用于高性能锂离子电池中。

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引言

1 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池概述

1.3 锂离子电池研究现状

1.4 硅基负极材料研究进展

1.5 本论文研究内容及意义

2 实验材料及研究方法

2.1 实验药品与仪器

2.2 材料的制备

2.3 材料物相分析及形貌表征

2.4 电极制备及电池组装

2.5 电化学性能测试

3 多孔硅/碳复合负极材料研究

3.1 引言

3.2 多孔硅/碳复合材料的制备

3.3复合材料的物相及形貌分析

3.4复合材料的电化学性能研究

3.5本章小结

4 一氧化硅/碳/石墨复合负极材料研究

4.1 引言

4.2 一氧化硅/碳/石墨复合材料的制备

4.3复合材料的物相及形貌分析

4.4复合材料的电化学性能研究

4.5本章小结

5 全文总结与展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间发表的部分学术论著