机械合金化法制备锂离子电池Si基负极材料及其电化学性能研究

摘要

本文以新能源方向的锂离子电池硅基负极为主要研究目标，以机械合金化法为材料制备方法，以纯Si为主要研究对象，对其进行20h到100h的高能球磨，并在后期材料的制备过程中加入石墨、炭黑或金属Al进行掺杂。采用X射线衍射仪进行结构分析，采用扫描电子显微镜进行表面形貌分析，采用粒度分析仪对材料粒度分析，采用LAND电池测试系统进行充放电测试，采用IM6电化学工作站进行动力学分析，综合以上分析结果对Si材料用作锂离子电池的负极提出合理的改进措施。
　　对于纯Si材料，随着球磨时间的增大材料的非晶化程度增加，但是并不能形成完全的非晶相，其中球磨100h的非晶化程度最高；经过球磨后材料的平均粒径由原来的29μm变成0.21μm；分析不同球磨时间的表面形貌发现，原始材料为大的块状，球磨后材料变成小的圆形颗粒状，并且球磨100h后有团聚现象出现。通过对Si不同球磨时间的材料充放电结果分析发现，Si材料的首次放电比容较高，但放电比容量损失较大，循环性能差，经过球磨的材料能增加首次放电比容量。经过动力学分析发现，经过球磨的材料由于结构疏松其扩散系数增大。
　　为了改善循环性能对于Si进行掺杂，经过80h的球磨发现，碳掺杂或Al掺杂都形成大量不储锂的惰性相，但非晶化程度较高：其平均粒径与纯Si材料球磨后基本相同，并且没有块状颗粒，都有团聚现象。经充放电测试，掺杂后的材料首次放电比容量降低，循环性能有一些改善，金属Al掺杂的材料循环性能较好，容量损失平稳。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 锂离子电池

1.1.1 锂离子电池简介

1.1.2 锂离子电池特点

1.1.3 锂离子电池正极材料

1.1.4 锂离子电池负极材料

1.2 硅基材料及其研究意义

1.2.1 包覆型复合材料

1.2.2 嵌入型复合材料

1.2.3 分子接触型复合材料

1.3 机械合金化法

1.3.1 机械合金化法的发展

1.3.2 机械合金化法的应用

1.4 电极过程动力学

1.5 本文的研究内容及意义

1.5.1 本文研究内容

1.5.2 本文研究意义

第二章 实验方法

2.1 工艺流程

2.2 样品的球磨

2.2.1 球磨方案

2.2.2 球磨罐的封装

2.3 粒度分析

2.4 XRD结构分析

2.5 SEM表面形貌

2.6 电池封装

2.6.1 扣式电池的组装

2.6.2 三电极体系的封装

2.7 充放电性能测试

2.8 动力学分析

2.8.1 循环伏安测试

2.8.2 电化学阻抗测试

3.8.3 锂离子在固相中的扩散

3.8.3 IM6电化学工作站

第三章 纯Si材料的研究

3.1 球磨时间对材料的影响

3.1.1 球磨时间对材料粒度的影响

3.1.2 球磨时间对材料结构的影响

3.1.3 球磨时间对材料表面形貌的影响

3.2 原始硅粉的研究

3.2.1 充放电性能测试

3.2.2 动力学研究

3.3 合金化材料的研究

3.3.1 充放电性能测试

3.3.2 动力学研究

3.4 合金化前后性能对比

3.5 本章小结

第四章 掺杂后材料的研究

4.1 石墨的掺杂

4.1.1 材料性能分析

4.1.2 充放电性能测试

4.2 炭黑的掺杂

4.2.1 材料性能分析

4.2.2 充放电性能测试

4.3 金属A1的掺杂

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢