脉冲激光沉积制备的硅基纳米电极材料的研究

摘要

随着纳米技术和锂离子电池研究的飞速发展,利用纳米技术制备的锂离子电池的电极材料正以其优异的性能向传统的电极材料提出挑战.Si是一种具有广泛应用前景的锂离子电池阳极材料,通过控制制备的条件或者加入一定的基质物质获得纳米结构的硅基薄膜,可以很好地改善Si材料的电化学性能,克服其在充放电过程中因巨大体积变化造成的循环稳定性很差的缺点.该文采用脉冲激光沉积(PLD)制备了硅基纳米电极薄膜,包括Si及Si/TiN复合薄膜,并对薄膜的微结构和电化学性能以及它们与锂反应的机理作了一系列的研究.主要取得了以下研究成果:(1)采用PLD法成功制备了纳米纯Si薄膜电极材料.沉积时的基片温度和激光辐照的能量密度对所制备薄膜的结构有重要影响,在2J/cm<'2>的激光能量密度和基片处于室温的条件下,可以制备得非晶态的Si薄膜,其前40次平均放电容量为852mAh/g,在容量和循环性能上均远优于晶态Si薄膜电极.研究发现在锂化后的非晶态Si薄膜中出现了10nm左右的Si-Li微晶态颗粒,通过对其机理进行的探讨,认为Si薄膜呈非晶态的有利于Si-Li纳米微晶的形成,进一步完善了前人对于Si-Li的电化学合金化反应的认识.(2)采用PLD法成功地制备了具有纳米结构的Si/TiN复合薄膜,发现在含80mol﹪Si的Si/TiN复合电极具有最好的循环性能,其在100次循环内的平均比容量为807mAh/g,平均每一循环衰减0.38﹪;Si/TiN薄膜材料可以承受0.2mA/cm<'2>的电流密度而对其循环容量和循环寿命没有影响,即对电流密度不敏感,该文还通过XRD、SEM、XPS、TEM和SAED等表征手段考察了锂化前后复合薄膜的微结构变化,进一步对TiN提高Si基薄膜电极材料的电化学性能机理进行了探讨,发现TiN在微米尺度上抑制了由充放电循环引起的薄膜的龟裂、颗粒化等形貌的变化,并且在更小的纳米尺度上抑制了Si-Li纳米微晶的产生.此外,复合薄膜中的Si与Li合金化的反应电位随着TiN含量的增高而上升,这可能是Si在高含量TiN的复合薄膜中的粒径变小影响它与锂的在电化学反应过程.

目录

文摘

英文文摘

第一章前言

1.1纳米技术与纳米结构电极材料的研究进展

1.2锂离子负极材料的研究进展

1.3本论文选题的背景与目的

第二章实验部分

2．1脉冲激光沉积薄膜

2.2薄膜的表征

2.3电池的组装及电化学性能测试

第三章Si基薄膜电极研究

3.1 Si基薄膜电极的前人研究工作

3.2 Si薄膜电极的制备和表征

3.3不同微结构的Si薄膜电极的电化学性能

3.4锂化前后Si薄膜电极的微结构变化

3.5小结

第四章Si/TiN复合薄膜电极研究

4.1引言

4.2预备实验

4.3 Si/TiN薄膜电极的表征

4.4 Si/TiN的电化学性能

4.5 Si/TiN薄膜和a-Si薄膜的形貌SEM对比

4.6 Si/TiN薄膜中Si与Li的合金化过程

4.7小结

附录电喷雾技术制备纳米粒子薄膜

引言

实验

结果与讨论

攻读硕士期间发表文章

参考文献

致谢

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