双局域结构非晶Fe-Si薄膜锂离子电池负极材料

摘要

Si材料是目前最具潜力的锂离子电池负极材料，因为Si在作为锂离子电池负极时拥有目前已知的最高比容量，约为目前商业化锂离子电池所使用的C材料的十倍，这将大大提升负极材料的能量密度。不仅如此，相比于石墨，硅的电压平台稍高，这样不仅可以提高功率密度，而且在充电时不会引起表面析锂，安全性能更好。另外，硅在地壳中的含量相当丰富，价格低廉，这有助于节省成本、推动锂离子电池的商业化应用。 但Si材料目前还不能单独作为锂离子电池的负极材料进行使用。这是因为硅负极的电极循环性能很差：在电化学储锂的过程中，材料的体积变化将达到300%以上。这一巨大的体积效应产生的机械应力会不断的破坏电极表面形成的固体电解质膜（SEI），从而降低锂离子的传输效率，影响电池的性能。同时硅自身会发生粉化并与集流体之间逐渐分离，直至丧失接触，导致充放电效率降低，循环性能迅速下降。更重要的是，由于硅是典型的半导体材料，它的电阻率极高，在应用中必须想办法提高电极的导电能力，这将对电极的电化学性能产生更多方面的影响。 本文通过磁控溅射法制备一系列Fe-Si非晶薄膜，在选择合适的薄膜厚度后，针对薄膜中Fe含量对薄膜性能的影响进行研究。由于非晶材料的性能与局域结构紧密相关，因此薄膜材料局域结构的不同是否会影响其在作为电极材料时的电化学性能也是本文的研究重点。本文通过X射线衍射,透射电镜，紫外-可见-近红外分光光度计等对薄膜进行物理表征及分析；通过恒流充放电、循环伏安测试等对材料进行电化学测试。结果表明：薄膜表面平整，致密度良好，随成分变化分别显示出直接带隙及间接带隙两种不同的半导体特性，表明具有不同的局域结构；膜厚在250~350nm左右的Fe-Si非晶薄膜拥有较好的循环稳定性；Fe-Si非晶薄膜在作为锂离子电池负极材料时其容量在100次循环后保持在621mAh/g及以上，且充放电库伦效率均接近100%；局域结构的不同对薄膜材料的电化学性能会产生一定的影响。 在前文的基础上，本文进一步用同样的方法制备了少量Fe-Si-C非晶薄膜，通过X射线衍射仪可以推测本文成功制备了非晶的Fe-Si-C薄膜。除此之外，恒流充放电测试的结果表明随着薄膜中Fe、C元素的增加，相应电池的循环性能得到了一定提高，但比容量水平稍有下降。

目录

第一个书签之前