鋰離子電池硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備及其性能研究.pdf

1、鋰離子電池由于具有比能量大、工作電壓高、安全性好、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，在各種便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。最近幾年，隨著對(duì)高能電源需求的增長(zhǎng)，圍繞如何開(kāi)發(fā)高能密度、快速大功率充放電的鋰離子電池展開(kāi)了大量研究。一般來(lái)說(shuō)，鋰離子電池的總比容量是由組成電池的各元件共同決定的，而負(fù)極材料作為儲(chǔ)鋰的主體，是提高鋰離子電池總比容量、循環(huán)壽命、充放電性能等相關(guān)參數(shù)的關(guān)鍵。
　　硅具有非常高的理論比容量和較低的嵌/脫鋰電位，被認(rèn)

2、為是最具有潛力實(shí)現(xiàn)下一代高能量密度鋰離子電池的新型負(fù)極材料之一。但在充放電過(guò)程中，體積過(guò)度膨脹粉化導(dǎo)致容量衰減快，成為其作為商業(yè)負(fù)極材料的最大障礙。而碳材料作為負(fù)極材料雖然比容量小，但不僅具有一定的電化學(xué)活性，結(jié)構(gòu)也較穩(wěn)定，可以作為硅電極的“緩沖基體”。因此，結(jié)合兩者的性能有可能制備出具有高容量和優(yōu)良循環(huán)性能的硅-碳復(fù)合負(fù)極材料。
　　本論文是與法國(guó)圣戈班集團(tuán)上海研發(fā)中心合作，擬開(kāi)發(fā)出一種具有高容量和優(yōu)良循環(huán)性能的鋰離子電池硅碳復(fù)

3、合負(fù)極材料。主要研究?jī)?nèi)容有，通過(guò)SiO發(fā)生歧化反應(yīng)，在不同的熱處理?xiàng)l件下制備多種Si-SiOx復(fù)合物，并將其與用真空抽濾法制備的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)石墨烯進(jìn)行自組裝，得到不同種類的Si-SiOx-C復(fù)合負(fù)極材料。用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和藍(lán)電電池測(cè)試系統(tǒng)分別對(duì)Si-SiOx復(fù)合物、石墨烯及Si-SiOx-C復(fù)合材料的形貌、結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能進(jìn)行了表征。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，真空抽濾法可以成功

4、制備空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)十分明顯的3D結(jié)構(gòu)石墨烯。其電化學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示，石墨烯首次循環(huán)充電比容量為311.2mAh/g，與純炭材料的理論比容量372mAh/g相差較少，且?guī)靷愋矢哌_(dá)84.9％;經(jīng)過(guò)100次循環(huán)后充電比容量為134.1mAh/g，雖然相比首次充電比容量有所減少，但是比容量仍然較高，且整個(gè)充放電過(guò)程的穩(wěn)定性也較好，第100次循環(huán)的庫(kù)倫效率也高達(dá)97％，充分說(shuō)明3D結(jié)構(gòu)石墨烯用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)具有較好的電化學(xué)性能。
　　

5、通過(guò)SiO的歧化反應(yīng)成功制備了Si-SiOx復(fù)合物。制備過(guò)程中由于熱處理?xiàng)l件不同得到的Si-SiOx復(fù)合物的性能也不同。其電化學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示，隨著反應(yīng)過(guò)程中的熱處理溫度的升高，Si的結(jié)晶度也隨之升高，相應(yīng)的Si-SiOx復(fù)合物的首次循環(huán)充放電比容量卻越來(lái)越低，這是因?yàn)闊崽幚頊囟仍礁?，Si的結(jié)晶度越大，Si的顆粒尺寸越大，尺寸較大的Si顆粒不利于鋰離子嵌入和脫出，從而導(dǎo)致比容量下降。而在Si-SiOx復(fù)合物的多次循環(huán)性能測(cè)試中，復(fù)合物的比

6、容量急劇下降，這是由于歧化反應(yīng)過(guò)程中生成了大量的單質(zhì)硅，雖然硅具有非常高的理論比容量和較低的嵌/脫鋰電位，但其體積過(guò)度膨脹粉化導(dǎo)致容量衰減快，因而循環(huán)數(shù)次之后其容量大大衰減。說(shuō)明較低的熱處理溫度有利于制備出比容量更高的Si-SiOx復(fù)合物電極材料。
　　當(dāng)Si-SiOx復(fù)合物與石墨烯自組裝之后，得到的Si-SiOx-C復(fù)合材料的首次循環(huán)充放電比容量大大提高，充電比容量由152.24mAh/g上升到811.3mAh/g，不可逆容量也