硅-碳-陶瓷納米復(fù)合鋰離子電池負(fù)極材料的制備及性能研究.pdf

1、硅具有比容量高、充放電平臺低、資源豐富、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，成為最有潛力的鋰離子電池負(fù)極材料之一。但硅本身存在體積膨脹問題和導(dǎo)電性差的問題決定了其使用壽命短、循環(huán)性能差的特點(diǎn)。目前常用制備硅基負(fù)極材料的方法主要有三類，一是將硅的尺寸納米化，制備納米顆粒，納米線和納米管等，減小絕對體積變化；二是將硅與碳、金屬、非金屬等緩沖基質(zhì)復(fù)合，制備復(fù)合材料，增強(qiáng)導(dǎo)電性，抑制SEI膜形成；三是通過構(gòu)筑多層次結(jié)構(gòu)，緩解體積膨脹，改善硅材料壽命。其中陶瓷基質(zhì)經(jīng)

2、常被應(yīng)用于吸收硅體積膨脹產(chǎn)生應(yīng)力，但是目前技術(shù)所采用的陶瓷往往不具備儲鋰電活性，從而犧牲負(fù)極材料容量。而且與碳基質(zhì)之間往往存在相分離、結(jié)合性差等弱點(diǎn)，不能有效地起到共同吸收應(yīng)力，穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)。為了解決上述問題，本文首先探討了鋰離子電極材料中黏結(jié)劑種類的選擇和含量優(yōu)化等問題。其次運(yùn)用高溫裂解法，以不飽和聚酯熱固性樹脂作為碳源和反應(yīng)介質(zhì)，以硅烷偶聯(lián)劑作為陶瓷前驅(qū)體，成功制備了不同比例的硅/碳復(fù)合材料和硅/硅氧碳/碳復(fù)合材料，研究了所得材料的

3、物相組分以及電化學(xué)相關(guān)性能。硅/硅氧碳/碳復(fù)合材料可以有效緩解硅在脫嵌鋰過程中帶來的體積效應(yīng)，從而提高硅基負(fù)極材料的電化學(xué)性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)海藻酸鈉黏結(jié)劑含量為20％時(shí)，純硅負(fù)極鋰離子電池的可逆比容量和首次庫倫效率達(dá)到最優(yōu)。采用海藻酸鎂作為水性黏結(jié)劑，能夠有效改善硅基電極的循環(huán)性能和倍率性能。在200 mAh?g-1電流密度下進(jìn)行100次循環(huán)，容量仍保持在1500mAhg-1左右，電極結(jié)構(gòu)基本保持完整。

4、⑵通過聚合物高溫裂解成碳，以不飽和聚酯熱固性樹脂作為碳源，成功制備了不同比例的硅/碳復(fù)合材料。在200mAhg-1電流密度下，樣品Si/C-0.1、Si/C-0.2、Si/C-0.4和Si/C-0.8硅/碳復(fù)合材料制備的鋰離子電池首次放電比容量分別為493mAh?g-1、1395 mAhg-1、1267 mAh?g-1和1509 mAhg-1。隨著復(fù)合材料中硅含量的增加，樣品Si/C-0.1、Si/C-0.2、Si/C-0.4和Si/C

5、-0.8的循環(huán)穩(wěn)定性依次升高。經(jīng)過200次后循容量保持率分別為93.6%、16%、22.7%和28.2%。其中，樣品Si/C-0.8復(fù)合材料的電化學(xué)性能最佳，在1000 mAh?g-1電流密度下進(jìn)行恒電流充放電測試，可逆比容量維持在600 mAhg-1。⑶在硅/碳復(fù)合材料的研究基礎(chǔ)上，以硅烷偶聯(lián)劑作為納米陶瓷粒子前驅(qū)體，成功制備了硅/硅氧碳/碳復(fù)合材料。研究結(jié)果表明納米陶瓷粒子的添加，一定程度上改善了硅/碳復(fù)合材料的力學(xué)性能。在2000