硅碳复合纳米材料与二氧化硅纳米材料的制备及其储锂性能研究

摘要

作为锂离子电池负极材料，硅基材料具有高的比容量和好的安全性，是当前商业化碳基材料的理想替代材料。其中，硅基纳米材料特别是硅碳复合纳米材料和二氧化硅(SiO2)纳米材料结合了纳米材料的特性及碳或氧化锂介质的导电和缓冲作用，比纯的硅材料和块体硅基材料具有更好的结构稳定性和电荷传输能力。因此，硅碳复合纳米材料和SiO2纳米材料有望表现出高的比容量、好的循环稳定性和高的倍率特性，从而满足锂离子动力电池的需求。
　　本论文利用正硅酸四乙酯(TEOS)的水解缩聚过程，结合模板法、聚偏氟乙烯(PVDF)热解法、层层自组装法和镁热还原过程，设计制备了一系列硅碳复合纳米材料和SiO2纳米材料。由于独特的组成和结构特性，这些硅碳复合纳米材料和SiO2纳米材料均表现出了较好的储锂性能，如高的比容量、好的循环稳定性和高的倍率特性。本论文的主要工作如下:
　　(1)我们利用SiO2球作为前驱体，通过PVDF热解及随后的镁热还原过程制备出碳包覆多孔硅球（多孔Si@C球）。相较于纯的多孔Si球，多孔Si@C球表现出了较好的储锂性能。例如，在0.05C（1C=4200mA g-1）的充放电速率下经过20次循环，多孔Si@C球的可逆比容量保持在900.0mA h g-1，这远远高于纯的多孔Si球(430.7mA h g-1)。
　　(2)我们利用SiO2球作为前驱体，通过层层自组装法及随后的原位镁热还原过程制备出三维石墨烯包覆多孔硅球互连网络（三维多孔Si@G互连网络）。与纯的多孔硅球相比，三维多孔Si@G互连网络表现出了较好的循环性能、较高的比容量和倍率特性。例如，在0.05C的充放电速率下经过25次循环，三维多孔Si@G互联网络的可逆比容量为1299.6mAh g-1，高于纯的多孔Si球(431.5mAh g-1)。
　　(3)我们利用CuO纳米带作为模板，通过TEOS的水解缩聚过程及随后的去模板过程制备出中空多孔SiO2纳米带。作为锂离子电池负极材料，该中空多孔SiO2纳米带表现出了高的可逆容量、优越的循环稳定性和高的倍率特性。例如，在0.01-3.0V电压区间和100mAg-1的电流密度下，经100个循环后该材料仍具有高达1012.5mAh g-1的放电比容量;从第2圈到100圈，平均每圈的容量损失仅为0.07％。
　　(4)我们利用ZnO纳米棒作为模板，通过TEOS的水解缩聚过程、层层自组装及随后的去模板过程，制备出石墨烯包覆SiO2纳米管网络(SiO2-NT@G网络)。作为锂离子电池负极材料，该SiO2-NT@G网络表现出了好的储锂性能，如高的比容量、优越的循环稳定性和高的倍率特性。例如，在0.01-3.0V电压区间和100mA g-1的电流密度下，经100个循环后该材料仍具有1145.3mAh g-1的放电比容量，而当电流密度升至500或1000mA g-1时，仍有811.1和628.6mAh g-1的放电容量。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池的简介

1．2．1 锂离子电池的发展

1．2．2 锂离子电池的基本结构和工作原理

1．2．3 锂离子电池的应用和发展

1．3 锂离子电池负极材料研究进展

1．3．1 碳基负极材料

1．3．2 过渡金属氧化物负极材料

1．3．3 锡基负极材料

1．3．4 硅基负极材料

1．3．5 其它负极材料

1．4 硅基纳米材料作为锂离子电池负极材料的研究进展

1．4．1 硅碳复合纳米材料

1．4．2 二氧化硅纳米材料

1．5 本论文的选题依据及研究意义

第2章 碳包覆多孔硅球的制备及储锂性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 碳包覆多孔硅球的制备和处理

2．2．3 碳包覆多孔硅球的表征方法

2．2．4 碳包覆多孔硅球的电化学性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 碳包覆多孔硅球的表征及形成机制分析

2．3．2 碳包覆多孔硅球的储锂性能研究

2．4 小结

第3章 三维石墨烯包覆多孔硅球互连网络的制备及储锂性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 三维多孔Si@G互连网络的制备

3．2．3 三维多孔Si@G互连网络的表征方法

3．2．4 电极的制备

3．2．5 电池的组装与电化学性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 三维多孔Si@G互连网络的表征及形成机制分析

3．3．2 三维多孔Si@G互连网络的储锂性能研究

3．4 小结

第4章 中空多孔SiO02纳米带的制备及储锂性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 中空多孔SiO2纳米带的制备

4．2．3 中空多孔SiO2纳米带的表征方法

4．2．4 电极的制备

4．2．5 电池的组装与电化学性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 中空多孔SiO2纳米带的表征及形成机制的分析

4．3．2 中空多孔SiO2纳米带的储锂性能研究

4．4 小结

第5章 石墨烯包覆SiO2纳米管网络的制备及储锂性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验试剂

5．2．2 石墨烯包覆SiO2纳米管网络的制备

5．2．3 石墨烯包覆SiO2纳米管网络的表征方法

5．2．4 电极的制备

5．2．5 电池的组装与电化学性能测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 石墨烯包覆SiO2纳米管网络的表征及形成机制的分析

5．3．2 石墨烯包覆SiO2纳米管网络的储锂性能研究

5．4 小结

第6章 总结

参考文献

攻读硕士学位期间已发表的成果

致谢