硅基锂离子电池纳米结构负极材料制备与电化学性能

摘要

随着电子设备和电动汽车行业的快速发展，人们对可充电电池的要求日益增高。高容量、大倍率、循环性能稳定的可充电电池是研究热点。目前，商业化锂离子电池负极材料是碳材料（理论容量372mAh g-1），不能满足人们对可充电电池的需求。近年来，硅材料由于具有最高的理论容量，而得到了广泛关注。但是硅材料在嵌脱锂过程中体积膨胀大，容易导致材料结构崩塌，从而使材料失效。本文针对硅材料循环性能差的问题，采用纳米化、复合化和结构化的方法来改善锂离子电池硅基负极材料的电化学储锂性能。
　　本文采用直流电弧等离子体法制备了Si/Al纳米复合材料。通过XRD、TEM等表征技术发现，不同原材料比例下制备的Si/Al纳米复合材料的相组成、组分以及形貌呈现一定的规律性。随着原材料中Al元素含量的增加，产物中的Al元素含量也相应增加，体现了与原料成分的一致性变化。Si/Al纳米复合材料呈现出一定的择优取向生长，从纳米颗粒逐步向纳米棒形态改变。将不同比例下制备的Si/Al纳米复合材料应用于锂离子电池负极，研究其电化学储锂性能。在100mA g-1的电流密度下循环50次后，Si∶Al=9∶1、Si∶Al=7∶3和Si∶Al=1∶1（wt.％）三种比例的复合材料可逆容量分别保持在461.0mAh g-1、321.1mAh g-1、237.3mAh g-1，呈现出稳定的循环性能和容量变化。
　　为了进一步改善硅基负极材料的电化学储锂性能，选取Si∶Al=1∶1(wt.％)比例下制备的Si/Al纳米复合材料，采用8wt.％的稀盐酸刻蚀进行材料改性，去除不稳定因素Al，得到表面多缺陷的纳米结构。结果表明，Si/Al纳米复合材料中的Al元素被完全去除。相比酸刻蚀之前，产物形貌粗糙不规则，比表面积增大到103.09m2/g，证明复合材料结构发生了明显变化，改性效果显著。在100mAg-1电流密度下，61次循环后可逆容量保持在503.1mAh g-1，明显高于商业化碳材料的理论容量，体现出良好的电化学储锂性能。

目录

声明

摘要

引言

1 绪论

1．1 锂离子电池概况

1．1．1 锂离子电池起源、发展及应用前景

1．1．2 锂离子电池工作原理

1．1．3 锂离子电池的特点

1．1．4 锂离子电池的组成

1．2 锂离子电池硅基负极材料

1．2．1 锂离子电池硅基负极材料概述

1．2．2 锂离子电池硅基负极材料改善方法

1．3 本课题的研究目的及内容

2 实验方法和内容

2．1 实验所用到的仪器设备及原料

2．2 材料的制备

2．2．1 直流电弧等离子体法制备纳米粉体

2．2．2 电极的制备

2．2．3 电池的组装

2．3 材料分析与测试

2．3．1 X射线衍射法(XRD)

2．3．2 透射电子显微镜(TEM)

2．3．3 比表面积测试

2．4 电化学性能测试

2．4．1 循环伏安测试

2．4．2 电化学容量测试

2．4．3 电化学阻抗谱测试

3 Si／Al纳米复合材料

3．1 引言

3．2 实验方法

3．3 实验结果分析

3．3．1 Si／Al纳米复合材料结构表征

3．3．2 Si／Al纳米复合材料电极的循环伏安曲线

3．3．3 Si／Al纳米复合材料电极的电压-容量曲线

3．3．4 Si／Al纳米复合材料电极的循环性能曲线

3．3．5 Si／Al纳米复合材料电极的阻抗特性

3．4 小结

4 酸刻蚀Si／Al纳米复合材料

4．1 引言

4．2 实验方法

4．3 实验结果分析

4．3．1 酸刻蚀Si／Al纳米复合材料结构表征

4．3．2 酸刻蚀Si／Al纳米复合材料电极的循环伏安曲线

4．3．3 酸刻蚀Si／Al纳米复合材料电极的电压-容量曲线

4．3．4 酸刻蚀Si／Al纳米复合材料电极的循环性能曲线

4．3．5 不同电流密度下的循环性能曲线

4．3．6 酸刻蚀Si／Al纳米复合材料电极的阻抗特性

4．4 小结

结论

参考文献

致谢