硅纳米线锂离子电池负极材料制备及其电化学性能

摘要

锂离子电池作为一种绿色能量存储装置，因其具有高能量密度、无记忆效应、相对低自放电率、长循环寿命等优点，被广泛应用于便携式电子产品中，在电动汽车和航空航天等动力能源领域中具有广泛的应用前景。碳材料是目前商用的锂离子电池负极材料，其理论比容量较低仅为372 mAh g-1，已经不能满足人们对高性能锂离子电池的需求。Si在自然界中储量丰富，成本低廉，作为负极材料具有较高的理论比容量（4200 mAhg-1）。但Si在嵌/脱锂过程中会产生巨大的体积变化，导致电极结构破坏，容量迅速衰减，循环性能较差。本文针对Si电极循环性能差的问题，采用纳米结构化、酸洗处理等方式来改善其电化学性能。 本文采用直流电弧等离子体气相蒸发法，以微米Si粉和Fe粉为原料，以瞬态VLS机制成功制备了硅纳米线。采用XRD，TEM等测试方法对其进行结构表征。结果表明，直流电弧等离子体蒸发法是制备硅纳米线粉体材料的有效方法。制备出的Si纳米线相互缠绕，形貌均匀，直径约10～20纳米，长度约几十到上百纳米，多根纳米线有共同的球状节点（催化剂颗粒FeSi2），表面有非晶态a-SiOx包覆层。 通过选择合适的粘结剂和增加导电剂含量可以改善硅纳米线的循环性能，三种不同Fe含量的硅纳米线呈现出硅纳米线直径最小的样品b充当活性材料的电极具有最高的首次放电容量3309.2 mAh g-1；使用硅纳米线长度最大的样品c充当活性材料的电极首次放电容量为2165.2 mAh g-1，循环100次后容量保持在539.7 mAh g-1，容量保持最高，循环性能最好。 为进一步提高硅纳米线材料循环性能，采用8%(wt.)的稀盐酸对Si:Fe=1:1(wt.%)纳米粉体进行酸洗处理，去除金属Fe。XRD和TEM分析测试结果表明，硅纳米线中主相仍为Si相，Fe相完全消失，存在ɑ-Fe相的极弱衍射峰。酸洗后材料仍为相互缠绕的纳米线，但纳米线之间距离减小。将酸洗处理后的硅纳米线材料应用于锂离子电池负极中，前10次循环容量降低至400 mAh g-1左右后稳步上升，140次循环后容量稳定在700 mAh g-1左右。与酸洗前硅纳米线100次循环后放电容量539.7 mAh g-1相比，容量有明显提高。

目录

第一个书签之前

摘 要

Abstract

引 言

1 绪论

1.1 锂离子电池概况

1.1.1 锂离子电池的发展历史

1.1.2 锂离子电池的工作原理

1.1.3 锂离子电池面临的问题

1.2 锂离子电池组成

1.2.1 锂离子电池正极材料

1.2.2 锂离子电池负极材料

1.2.3 电解质

1.2.4 隔膜

1.3 负极材料研究现状

1.3.1 碳素材料

1.3.2 过渡金属氧化物

1.3.3 过渡金属氮化物

1.3.4 锡基材料

1.4 硅基负极材料研究进展

1.4.1 硅基负极材料面临的问题

1.4.2 粘结剂选择

1.4.3 电极组成优化

1.4.4 纳米结构化改性

1.4.5 材料复合化改性

1.5 选题依据及研究内容

2 实验方法及内容

2.1 实验仪器及材料

2.2 材料的制备

2.2.1 纳米材料的制备方法

2.2.2 电极的制备

2.2.3 电极的组装

2.3 成分及结构分析

2.3.1 X射线衍射（XRD）

2.3.2 透射电子显微镜（TEM）

2.4 电化学性能测试

2.4.1 恒流充放电测试

2.4.2 循环伏安测试

2.4.3 电化学阻抗谱测试

3 Si纳米线的制备

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 实验结果分析

3.3.1 硅纳米线粉体的形貌表征

3.3.2 硅纳米线粉体的物相表征

3.3.3 瞬态VLS机制Si纳米线生长机理

3.4 小结

4 Si纳米线电化学性能研究

4.1 电极的制备

4.2 粘结剂种类对硅纳米线嵌/脱锂性能的影响研究

4.3 导电剂含量对硅纳米线嵌/脱锂性能的影响研究

4.4 铁含量对硅纳米线嵌/脱锂性能的影响研究

4.5 小结

5 酸洗处理Si纳米线及其电化学性能研究

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 实验结果分析

5.3.1 酸洗处理Si纳米线的表征

5.3.2 酸洗处理Si纳米线电极的循环伏安曲线

5.3.3 酸洗处理Si纳米线电极的循环性能曲线

5.3.4 不同电流密度下的循环性能曲线

5.3.5 酸洗处理Si纳米线电极的阻抗特性

5.4 小结

结 论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书