基于海藻酸钠粘结剂的锂离子电池硅基负极材料的性能研究

摘要

硅的理论比容量高达4200 mAh/g，有望成为新一代的高容量负极材料之一。但锂离子在嵌锂和脱锂过程中，引起硅颗粒体积膨胀和电极结构崩破，导致硅与集流体的导电性变弱，影响电池的电化学性能。为了改善这一个问题，本文通过研究海藻酸钠在不同硅基复合负极材料（硅负极材料、硅/石墨烯负极材料、硅/铁负极材料）中的电化学性能，并分析负极材料与海藻酸钠复合浆料的流变特性。试图改善电极结构，探索出比容量高、电极循环稳定好的锂离子电池。
　　本论文主要工作及结果如下：
　　（1）制备了3种不同海藻酸钠粘结剂含量的锂离子电池硅负极浆料，并对其浆料进行流变性和触变性测试与比较，筛选出海藻酸钠粘结剂合适含量为20％，该含量下负极浆料颗粒可形成均匀，稳定的分散结构。测试了该体系电化学性能，结果表明，当负极材料（纳米硅）、导电剂、粘结剂质量比是6:2:2时，首次放电比容量为2200 mAh/g，库伦效率达到87%。但循环50圈后，放电比容量低于800 mAh/g。锂离子电池在嵌锂和脱锂过程中，硅会发生体积膨胀，导致硅材料粉化、剥落、失去电接触，因此容量衰减很快，循环稳定性较差。
　　（2）为了改善硅负极锂离子电池的循环稳定性，可通过改善硅颗粒与集流体之间的电接触来实现。本文在硅负极中引入导电性能优异的石墨烯材料，制得硅/石墨烯负极材料。测试了3种不同海藻酸钠粘结剂含量的硅/石墨烯负极浆料的流变性和触变性，选择出最佳海藻酸钠粘结剂含量仍为20%。在负极材料、导电剂、粘结剂质量比是6:2:2的基础上，测试了含量分别为10%、20%、30%的3种硅/石墨烯锂离子电池的电化学性能。实验结果显示，石墨烯含量减小，比容量增大，内阻降低。10%含量的硅/石墨烯锂离子电池在循环50圈后，放电比容量大于1800 mAh/g；循环100圈后，放电比容量在1650 mAh/g左右，因此适量的石墨烯有利于提高锂离子的循环性。
　　（3）为了提高硅基锂离子电池的循环稳定性，可通过制备多孔硅/金属复合材料为硅体积的膨胀预留空间。本文通过酸化处理硅铁合金制备了多微孔硅/铁合金负极材料。测试了基于海藻酸钠粘结剂的多微孔硅/铁负极浆料的流变性和触变性，确定了海藻酸钠粘结剂合适含量为20%。当负极材料（多微孔硅/铁）、导电剂、粘结剂质量比分别为6:2:2时，首次放电比容量高达2600 mAh/g，循环50圈后，充放电比容量大约为1250 mAh/g。比容量有所下降，但多孔的结构有效的增强了循环性能的稳定性。

目录

1绪论

1.1锂离子电池

1.2锂离子电池负极材料

1.3电池粘结剂

1.4研究的目的

2基于SA粘结剂的锂离子电池硅负极材料

2.1引言

2.2实验原料与仪器

2.3电池的制备与组装

2.4 SA/硅复合浆料的流变性能

2.5 SA粘结硅负极材料锂离子电池的电化学性能

2.6本章小结

3基于海藻酸钠粘结剂的锂离子电池硅/石墨烯负极材料

3.1引言

3.2实验原料与仪器

3.3电池的制备与组装

3.4SA/硅/石墨烯复合浆料的流变性能

3.5SA粘结硅负极材料锂离子电池的电化学性能

3.6本章小结

4基于海藻酸钠粘结剂的锂离子电池硅/铁合金负极极材料

4.1引言

4.2实验原料与仪器

4.3 电池的制备与组装

4.4 SA/硅铁复合浆料的流变性能

4.5 SA粘结硅负极材料锂离子电池的电化学性能

4.6本章小结

5结论

5.1总结

5.2创新点

5.3下一步工作

致谢

参考文献

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