硅/五氧化二铌复合负极材料的制备及电化学性能的研究

摘要

硅负极材料因具有高的储锂容量，有望替代石墨成为锂离子电池的新一代负极材料。然而，硅在脱嵌锂过程中存在着巨大的体积效应，容易导致活性材料粉化和结构的崩塌，造成电极材料循环容量的严重衰减，限制了其在生产生活中的实际应用。
　　针对以上问题，本论文尝试以纳米硅、氯化铌、氢氧化锂为原料制备硅/五氧化二铌复合材料，构建以五氧化二铌为表面层，硅为活性中心的复合体系，以提高材料的电化学循环稳定性。本论文主要研究以下内容:a.采用化学滴定法和高温固相反应两步法制备硅/五氧化二铌复合材料;b.研究制备工艺参数对复合材料形貌、结构及其电化学性能的影响，并优化实验方案;c.研究硅/五氧化二铌复合材料的形貌结构特征，以及这种结构特征对电化学性能的影响;d.研究硅酸锂界面层对硅/五氧化二铌复合材料性能的作用机理。
　　以纳米硅、氯化铌、氢氧化锂为原料制备了核壳型的硅/五氧化二铌复合负极材料。在该结构中，五氧化二铌包覆在硅颗粒表面，避免了硅活性中心与电解液的直接接触，减少了副反应的发生，有效提高了材料的电化学循环稳定性。在此基础上，论文系统研究了氢氧化锂在材料合成中的作用。研究表明，氢氧化锂不仅是促成五氧化二铌前驱体形成的沉淀剂，也是促成硅核与五氧化二铌壳层之间形成硅酸锂的关键物质。形成的硅酸锂过渡层，有效提高了硅/五氧化二铌复合材料的离子电子导电性，并在一定程度上补充了锂源。研究制备的硅/五氧化二铌复合负极材料在200 mA/g恒电流充放电时，首次放电比容量可达2803mAh/g，经过200次循环后充放电比容量仍能保持在1100mAh/g，当电流密度达到500mA/g时，其比容量仍可到900mAh/g，表现出了高的比容量和良好的倍率性能。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池简介

1．2．1 发展历程

1．2．2 基本工作原理

1．3 负极材料研究进展

1．3．1 碳负极材料

1．3．2 金属及合金

1．3．3 氮化物

1．3．4 氧化物

1．3．5 Sn基负极材料

1．4 硅基负极材料

1．4．1 纳米结构的硅负极材料

1．4．2 硅基薄膜负极材料

1．4．3 硅基复合材料

1．5 五氧化二铌在负极材料中的应用

1．6 研究内容与意义

第二章 实验原料、仪器及表征方法

2．1 实验原料与仪器

2．2 材料结构表征方法

2．3 电化学性能表征

2．3．1 电池的装配过程

2．3．2 电化学性能表征方法

第三章 硅／五氧化二铌复合材料制备

3．1 引言

3．2 氨水、氯化铌对硅基材料的改性

3．2．1 实验方法

3．2．2 复合材料表征

3．3 氢氧化钠、氯化铌对硅基材料的改性

3．4 氢氧化锂、氯化铌对硅基材料的改性

3．5 本章小结

第四章 硅／五氧化二铌复合材料表征

4．1 引言

4．2 晶相结构、形貌表征

4．3 电化学性能研究

4．4 正交实验

4．5 空白对比实验

4．5．1 乙炔黑空白实验

4．5．2 五氧化二铌空白实验

4．6 本章小结

第五章 硅酸锂对硅／SK氧化二铌复合材料电化学性能的影响

5．1 前言

5．2 硅酸锂／硅复合材料制备

5．2．1 试验方法

5．2．2 不同复合材料相结构表征

5．3 电化学性能表征

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢