多孔硅氧化物/碳负极材料的制备及其储锂性能研究

摘要

硅基材料作为锂离子电池负极材料具有高比容量、低嵌锂电位、原料易得及环境友好等优点，但其在充放电过程中较大的体积变化和较差的导电性，严重限制其循环性能和倍率性能。针对该问题，本论文以两亲性三嵌段共聚物（P123或F127）为模板剂，选择了合适的硅源和碳源，制备出具有多孔结构的硅氧碳复合材料。该类材料具有以下优势：多孔结构抑制循环过程中的体积效应，有助于稳定SEI膜的形成，避免了电极材料的粉化和活性物质的脱落，同时为锂离子提供了传输路径，缩短了传输距离；与碳材料的复合有助于提高材料的导电性并抑制纳米粒子的团聚，同时起到骨架支撑的作用。本论文的主要研究内容和结果如下： 1、以P123为模板剂，正硅酸四乙酯作为硅源，氧化石墨烯作为碳载体，合成出石墨烯包覆的多孔SiO2前驱体，经铝热部分还原后得到还原氧化石墨烯包覆多孔氧化硅（P-SiOx/rGO）复合材料。该材料的比表面积可达240m2g?1，孔容约为0.38cm3g?1。电化学测试表明，该负极材料的首圈库伦效率为68%，在0.1Ag?1的电流密度下循环200次后，可逆比容量仍保持有575mAhg?1，而且，在10.0A g?1的大电流密度下，可逆比容量仍有126mAhg?1，表现出良好的倍率性能。这种P-SiOx/rGO复合材料所具有的良好储锂性能，可能归因于材料的多孔结构和石墨烯所形成的三维导电网络。 2、利用倍半硅氧烷(RSiO1.5)n分子欠氧的特点，以八氨基苯基倍半硅氧烷（OAPS）为碳源和硅源，低聚酚醛树脂（Resol）为固化剂，嵌段共聚物F127为模板剂，自组装制备出氮掺杂有序介孔硅氧碳复合材料，并系统研究了OAPS/Resol的比例、焙烧气氛、焙烧温度对材料结构和电化学性能的影响。氮掺杂有助于提高碳骨架的导电性，高度有序的介孔结构为锂离子提供快速的传输通道。研究表明：OAPS/Resol的比例为95∶5，且在还原气氛下900℃焙烧，得到的材料比表面积约为217m2g?1，孔容为0.17cm3g?1。电化学测试表明，该负极材料的首圈库伦效率为61%，在0.1Ag?1的电流密度下，循环充放电585次，历时将近七个月，可逆比容量仍稳定在438mAhg?1，且在10.0A g?1的大电流密度下，可逆比容量仍有92mAh g?1。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2锂离子电池概述

1.3锂离子电池电极材料

1.4硅及硅/碳负极材料的研究进展

1.4.1硅基负极材料电化学储锂机理

1.4.2纤维结构的硅/碳复合材料

1.4.3核壳结构的硅/碳复合材料

1.4.4嵌入结构的硅/碳复合材料

1.4.5多孔硅/碳复合材料

1.4.6硅氧化物/碳复合材料

1.5本论文的选题意义和主要内容

第2章 多孔SiOx/rGO复合材料的制备及其储锂性能研究

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验试剂

2.2.2材料合成

2.2.3材料表征

2.2.4电化学性能测试

2.3结果与讨论

2.3.1多孔SiOx/rGO复合材料的合成

2.3.2多孔SiOx/rGO复合材料的结构表征

2.3.3多孔SiOx/rGO复合材料的电化学性能

2.4本章小结

第3章 氮掺杂有序介孔SiOC复合材料的制备及其储锂性能研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1实验试剂

3.2.2材料合成

3.2.3材料表征

3.2.4电化学性能测试

3.3结果与讨论

3.3.1氮掺杂有序介孔SiOC复合材料的合成

3.3.2 OAPS/Resol配比的影响

3.3.3焙烧气氛的影响

3.3.4焙烧温度的影响

3.3.5电化学性能

3.4本章小结

第4章 总结

4.1结论

4.2思考与展望

致谢

参考文献

硕士期间已发表的研究论文