鋰離子電池用納米碳纖維—硅復(fù)合負(fù)極材料.pdf

1、鋰離子電池(LIB)的無(wú)記憶效應(yīng)、能量密度高以及自放電率低等優(yōu)點(diǎn)使其在工業(yè)領(lǐng)域迅猛發(fā)展。隨著其在便攜式設(shè)備和動(dòng)力汽車(chē)中的應(yīng)用，人們對(duì)于鋰離子電池的負(fù)極材料提出了更高的要求。目前石墨作為商用鋰離子電池的負(fù)極材料，在充放電過(guò)程中鋰的嵌入量較低，理論容量只有372mAh/g。同時(shí)由于過(guò)充或其他原因引起的鋰枝晶影響電池的安全性。
　　Sn、Si、Al、Pb等金屬與鋰形成金屬間化合物，表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能。這些高容量的負(fù)極材料還沒(méi)有商業(yè)化

2、的原因是其在嵌鋰時(shí)發(fā)生較大的體積膨脹，超過(guò)100％。這會(huì)造成材料結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重的破壞甚至粉化，使材料失去電接觸，導(dǎo)致容量的迅速衰減。因此消除因金屬材料在充放電過(guò)程中的體積變化而造成的電池失效成為負(fù)極材料研究重點(diǎn)。
　　目前的研究表明，三維網(wǎng)絡(luò)電極結(jié)構(gòu)能有效緩沖硅在嵌鋰時(shí)產(chǎn)生的體積變化，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)為鋰離子提供了傳輸通道，提高電極的倍率充放電性。熱解細(xì)菌纖維素（Pyrolyzed Bacterial cellulose，PBC）保留了

3、細(xì)菌纖維素(BC)的三維多孔結(jié)構(gòu)，將上述金屬材料擔(dān)載到PBC的三維網(wǎng)絡(luò)中，形成金屬/納米碳纖維復(fù)合三維電極是提高LIB負(fù)極材料電化學(xué)綜合性能的有效途徑。因此，將PBC與硅材料復(fù)合制備新型鋰離子電池負(fù)極材料，對(duì)于將硅負(fù)極材料商用化具有重要意義。
　　本論文以BC為前驅(qū)體，通過(guò)高溫?zé)Y(jié)制備了具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米碳纖維(PBC)。在此基礎(chǔ)上通過(guò)打漿法和溶膠凝膠法分別制備了PBC/碳納米管(CNTs)、PBC/Si和PBC/SiO2復(fù)合

4、負(fù)極材料，利用FESEM、TG、XRD以及循環(huán)測(cè)試等方法詳細(xì)研究了其結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.PBC及PBC/CNTs的結(jié)構(gòu)與性能。
　　PBC具有三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，存在石墨化碳。電性能測(cè)試顯示PBC的電池容量略低于石墨，但加入羧基化碳納米管可以提高PBC的導(dǎo)電性以及電池的容量。PBC/CNTs復(fù)合材料的首次充電容量達(dá)到1280.6mAh/g，庫(kù)倫效率為45.7％。循環(huán)20次后可逆容量達(dá)到433mA

5、h/g，不僅優(yōu)于PBC，同時(shí)超過(guò)了石墨的理論容量。
　　2.打漿法制備的PBC/Si復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能。
　　PBC/Si的電化學(xué)性能較好，首次充電容量達(dá)到3375mAh/g，經(jīng)過(guò)65次循環(huán)后后可逆容量為1369mAh/g。只要適當(dāng)?shù)目刂乒璧暮考捌浞稚?，PBC的特殊三維結(jié)構(gòu)可以作為充放電過(guò)程中硅體積膨脹的緩沖區(qū)。
　　3.溶膠凝膠法制備PBC/SiO2復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能。
　　PBC/SiO2復(fù)合材料的導(dǎo)電