硅负极材料的电化学性能及锂离子电池的工艺设计

摘要

锂离子电池Si负极材料具有理论比容量高（4200mAhg-1）、放电平台低、资源丰富、环境友好等优点，是很有潜力的高容量负极材料之一，但是其循环性能较差。本文将Si负极材料纳米化、复合化的优异性结合起来，制备了Si/Co复合薄膜材料。另外，为了研究材料在工业化的应用，设计了不同正极材料的配比及工艺参数，尝试对锂离子电池的低温性能进行改善。主要研究内容及结果如下:
　　(1)采用恒电流沉积法在集流体表面沉积Co纳米山峰阵列后，磁控溅射Si薄膜，制得Co/Si纳米复合薄膜材料。对比了不同厚度Si薄膜的Co/Si纳米复合薄膜的电化学性能。Si薄膜厚度为200nm的Co/Si复合薄膜表现出良好的电化学性能，0.1C循环100次后容量仍然高达1917.8mAhg-1;当充放电倍率从0.1C上升至0.5C到3C时，复合薄膜电极的比容量从2329.9下降至1953.3到1166.1mAhg-1，表现出优异的倍率性能。Si薄膜厚度增加为400-600nm时，放电比容量0.1C下降至约2200mAhg-1，0.5C为1400mAhg-1，2C为650mAhg-1。
　　(2)在工厂实习过程中，通过参与锂离子电池的工艺设计，分别研究了采用LiFePO4与LiMn1/3Co1/3Ni1/3O2电极材料电池制造过程关键工艺的影响，并以三元材料LiMn1/3Co1/3Ni1/3O2为例，研究了容量型与功率型电池工艺参数的变化。在商业化应用的锂离子电池电解液中添加有机锂盐LiTFSI以改善锂离子电池的低温性能。0℃时，添加LiTFSI-0.1电池的放电容量在不同倍率下均优于其他三种组分的电池，经过活化0.1C最高放电比容量为161.6mAhg-1，约为常温容量的86％，1.5C下LiTFSI-0.1的电池放电比容量达100.0mAhg-1，为常温比容量的75％，比未添加LiTFSI的电池容量高18mAhg-1。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池简介

1．2．1 锂离子电池工作原理

1．2．2 锂离子电池优缺点

1．3 锂离子电池基本结构

1．3．1 锂离子电池正极材料

1．3．2 锂离子电池负极材料

1．3．3 锂离子电池电解液

1．4 锂离子电池Si负极材料的研究进展及面临的挑战

1．4．1 Si负极材料反应原理及优缺点

1．4．2 Si负极材料的改性

1．5 电解质锂盐Li(CF3SO2)2N在锂离子电池中的应用

1．6 选题依据和主要研究内容

第二章 实验方法和设备

2．1 实验试剂和设备

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器和设备

2．2 材料表征

2．2．1 X射线衍射分析(XRD)

2．2．2 扫描电子显微分析(SEM)

2．2．3 原子力显微镜

2．2．4 透射电子显微分析(TEM)

2．2．5 拉曼光谱分析(Raman)

2．3 电化学性能测试

2．3．1 CR2025扣式电池装配

2．3．2 恒流充放电测试

2．3．3 循环伏安测试(CV)

2．3．4 电化学阻抗谱测试(EIS)

第三章 Co纳米阵列与Si复合薄膜的电化学性能研究

3．1 引言

3．2 纳米Si复合薄膜制备

3．3 金属Co纳米阵列与Si薄膜复合材料的结构表征

3．4 电化学性能分析

3．6 本章小结

第四章 锂离子电池的工艺设计及低温性能改善

4．1 引言

4．2 锂离子电池的制备工艺

4．2．1 锂离子电池工艺流程

4．2．2 电池的制备工艺设计

4．3 锂离子电池低温性能改善

4．3．1 电解液的制备

4．3．2 锂离子电池低温电化学性能分析

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读研究生期间发表的论文与取得的其他研究成果