锂离子电池硅基负极材料制备及其电化学性能研究

摘要

便携式电子产品、电动汽车和储能电站等一系列新技术领域迫切要求提升锂离子电池的能量密度。石墨作为传统的锂离子电池负极材料，因其理论比容量只有372 mA h g-1，严重制约了整个电池能量密度的提升。因此，研究开发新型高比容锂离子电池负极材料至关重要。硅拥有最高的理论比容量（4200 mAh g-1），较低的电压平台，丰富的储量，成为下一代锂离子电池负极最佳候选者之一。然而，硅在嵌锂脱锂过程中存在巨大的体积膨胀，导致其循环稳定性变差，制约了硅基负极的实际应用。通过将硅材料纳米化，能够有效提高材料的循环性能。但是目前如何降低纳米硅制备的成本，开发出可商业化制备方法亟待解决;此外，纳米硅由于具有高比表面积，导致低首圈库伦效率;纳米硅振实密度低，制约了高活性物质载量和高面容量的实现，从而影响电池的体积能量密度。针对以上三点硅基负极材料在实际应用中存在的问题，本文研究内容及结果如下:
　　1、高活性物质载量硅碳复合材料的制备。采用一步法原位制备类石墨烯二维碳纳米片包裹纳米硅复合材料。该原位合成使用的原料都是绿色环保，廉价易得，而且该方法简单高效，适合大规模生产。二维类石墨烯碳纳米片可以很有效地缓冲纳米硅的体积膨胀，同时能提高材料整体的导电性能。在420 mAg-1电流密度下，硅碳复合材料循环500圈后放电比容量为881mAhg-1，容量保持率为86.4％。当活性物质载量达到5.0 mg cm-2，硅碳复合物在2.1 mA cm-2电流密度下,循环100圈后面容量仍有3.13 mAh cm-2。
　　2、高首圈库伦效率高振实密度硅材料的简单廉价制备。通过简单经济高效的高能球磨法，使用毫米硅作为硅源，一步合成了由纳米硅颗粒组成的亚微米尺寸硅二次结构(S S-SiNPs)，振实密度达到0.81gcm-3。因为毫米硅的制备工艺已经很成熟，成本低，所以用毫米硅(1-3 mm)作为硅源。在100mA g-1的电流密度下，SS-SiNPs的首圈库伦效率达到了87.03％，首圈放电比容量为3370 mA h g-1，接近硅在常温下理论比容量(3579mAh g-1，Li15Si4)。为了提高循环性能，将SS-SiNPs，石墨和聚丙烯腈球磨混合后碳化获得硅碳复合材料。在100mAg-1电流密度下，硅碳复合材料的首圈库伦效率达到80.8％，在500 mA g-1循环200圈后放电比容量达到785 mAh g-1，容量保持率68％。
　　3、高振实密度新型负极材料磷化硅的制备。以毫米硅和毫米红磷为原料，高能球磨制备了新型硅基负极材料磷化硅(S iP2)。该材料具有1.19 gcm-3的高振实密度，在100mAg-1电流下，首圈放电比容量1677 mAh g-1;与石墨复合后，大大提高了循环性能，实现了高活性载量和高面容量，在2.97 mg cm-2载量下，循环500圈，面容量2.27 mAh cm-2，容量保持率为72.8％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池概述

1．2．1 锂离子电池发展概况

1．2．2 锂离子电池的组成与工作原理

1．2．3 锂离子电池正极材料研究状况

1．2．4 锂离子电池负极材料研究状况

1．3 硅基负极研究状况

1．3．1 硅基负极材料概述

1．3．2 硅基负极材料性能提升策略

1．4 硅基负极研究存在问题

1．4．1 活性物质载量

1．4．2 纳米硅成本

1．4．3 首圈库伦效率

1．5 本文的研究目的和研究内容

第二章 实验试剂、仪器与表征

2．1 实验试剂与仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 材料表征

2．2．1 X射线衍射分析

2．2．2 扫描电子显微镜

2．2．3 透射电子显微镜

2．2．4 热重分析

2．2．5 氮气吸附比表面积测试

2．2．6 拉曼光谱

2．2．7 材料粒径分析测试

2．3 锂离子电池装配

2．3．1 极片的制备

2．3．2 电池的组装

2．4 电化学性能测试方法

2．4．1 锂离子电池恒流充放电测试

2．4．2 循环伏安测试

2．4．3 电化学阻抗谱测试

第三章 高活性物质载量硅碳复合材料的制备、表征和电化学性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 Si／C复合材料的制备

3．2．2 电池的组装和测试条件

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

第四章 高首圈库伦效率高振实密度硅材料的制备、表征和电化学性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 亚微米硅材料的制备

4．2．2 硅碳复合材料的制备

4．2．3 电池的组装和测试条件

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 高振实密度磷化硅材料的制备、表征和电化学性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 材料的制备

5．2．2 电池的组装和测试条件

5．3 结果与讨论

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 未来工作展望

参考文献

致谢

简历

攻读博士学位期间发表的论文