锂离子电池正/负极材料Li2S/SiO2的合成与电化学性能研究

摘要

锂离子电池作为一种新型绿色二次电池已在小型二次电池市场中占据了最大的份额。然而，由于正负极材料比容量较低，使得目前商业化锂离子电池能量密度普遍不超过200Wh kg-1。本文选择具有高比容量的硅基负极材料SiO2和Li2S正极材料为研究对象，对材料的合成、微结构和电化学储锂性能展开了详细研究，阐明了电极材料的成分、微观结构与电化学储锂性能的相互关系，可望为进一步研究和开发高性能的锂离子电池电极材料提供了实验基础和理论依据。
　　(1)采用简单的球磨工艺对库不齐沙漠中的沙子进行处理，并直接以球磨后的沙子作为锂离子电池负极材料。系统研究了沙子负极材料的成分组成以及球磨时间对其晶体结构、微观形貌、电化学性能和电化学储锂机理的影响。成分研究结果表明，沙子的主要成分为SiO2，通过稀盐酸简单清洗后，SiO2质量比达85％，其余为金属氧化物杂质。微结构研究表明，原始沙子中的SiO2结晶性良好，随着球磨时间的增加，SiO2的结晶性逐渐减弱，向非晶态转变。当球磨时间达到108h，沙子中的SiO2完全转变为非晶态。球磨后沙子的微观形貌表现为形状不规则，大小不一的颗粒，颗粒尺寸随球磨时间增加而减小。电化学研究结果表明，沙子中的SiO2首次嵌锂反应生成不可逆产物Li4SiO4、Li2O和可逆产物HxSiy。随着球磨时间的增加，沙子负极材料的初始可逆容量逐渐增加，循环稳定性逐渐下降。球磨108h的样品首次放电容量达906mAh g-1，首次充电容量达413mAh g-1，表现出最好的电化学储锂活性。200次循环后，与第2次放电容量相比，球磨60h样品的容量保持率达97.9％，球磨108h样品的容量保持率仅为59.6％。
　　(2)以球磨108h的沙子和聚苯乙烯(PS)为原料，制备沙子/碳复合材料，并系统研究了碳复合处理对复合材料电化学性能和微观形貌的影响。微结构研究结果表明，高温煅烧处理后，复合材料的结晶性仍然较差，表现为非晶态。PS的使用对复合材料的微观形貌没无明显的影响。电化学性能研究表明，含碳量为5.5％的沙子/碳复合材料表现出最优异的循环性能和倍率性能。在100mA g-1电流密度下，该样品170次循环后的稳定容量为553mAh g-1，可逆容量保持率达78.5％。
　　(3)XRD、FTIR等测试表明，以不同摩尔比的LiH和升华硫为原料，采用简单的球磨工艺，可成功制备Li2S和Li2S2正极材料。电化学性能测试表明，合成Li2S的循环性能相比商业Li2S略有提升，100次循环后的容量为280mAhg-1，Li2S2在前50次循环较为稳定，50次循环后容量开始衰减，100次循环后的容量为305mAh g-1。此外，Li2S2的首次活化电压达3.69V，低于Li2S的3.87V。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池主要部件与工作原理

1．3 锂离子电池电极材料研究现状

1．3．1 正极材料

1．3．2 负极材料

第二章 文献综述

2．1 引言

2．2 硅基负极材料研究进展

2．2．1 硅负极材料电化学储锂特性和储锂机理

2．2．2 硅负极材料存在的问题及主要改性方法

2．2．3 二氧化硅负极材料电化学储锂特性

2．2．4 二氧化硅负极材料电化学储锂机理

2．2．5 二氧化硅负极材料的电化学改性

2．3 Li2S正极材料研究进展

2．3．1 Li2S正极材料的电化学特性

2．3．2 Li2S正极材料的合成方法

2．3．3 Li2S正极材料的电化学改性

2．4 问题提出与本文主要研究内容

第三章 实验方法

3．1 实验试剂与仪器

3．1．1 实验试剂

3．1．2 实验仪器

3．2 材料成分分析

3．3 材料微结构与形貌表征

3．4 纽扣电池的制备与组装

3．4．1 电极制备

3．4．2 电池组装

3．5 电化学性能测试

第四章 沙子／碳黑混合物的电化学储锂性能

4．1 引言

4．2 沙子负极材料的制备细节

4．3 沙子成分分析

4．4 球磨处理对沙漠沙子微结构和形貌的影响

4．5 球磨处理对沙子电化学储锂性能和储锂机理的影响

4．6 本章小结

第五章 沙子／碳复合材料的电化学性能研究

5．1 引言

5．2 沙子／碳复合材料的制备细节

5．3 沙子／碳复合材料的微结构

5．4 沙子／碳复合材料的电化学储锂性能研究

5．5 本章小结

第六章 硫化锂的合成及其作为锂硫电池正极材料的应用

6．1 引言

6．2 材料的制备工艺细节

6．3 合成产物的微结构

6．4 合成的Li2S的电化学性能研究

6．4 合成的Li2S2的电化学性能

6．5 本章小结

第七章 总结

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间取得的研究成果