硅酸鹽基復(fù)合材料的設(shè)計合成及儲鋰性能研究.pdf

1、為了緩解化石能源的短缺及環(huán)境污染，太陽能、風能、地熱能等可再生能源迅速的發(fā)展起來；而對可再生能源進行大規(guī)模的儲存成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵，在眾多的能源儲存設(shè)備中，鋰離子電池因其高的能量轉(zhuǎn)換效率、長的循環(huán)壽命、低的自放電等優(yōu)勢而引起了廣泛的關(guān)注。正極材料作為二次電池的重要組成部分，其電化學(xué)性能在很大程度上影響整體的電池性能。自二十世紀八十年代以來，人們對于高容量鋰離子電池儲能材料的探索和改進并未停止。硅酸鹽材料，因其硅元素豐富易得、由硅氧鍵組

2、成的硅酸根正四面體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、理論比容量高等優(yōu)勢而吸引了人們的廣泛關(guān)注。但是其離子遷移率及導(dǎo)電率均較低，從而影響了其電化學(xué)性能。
　　材料的納米化可以縮短鋰離子的傳輸路徑，構(gòu)筑良好的導(dǎo)電骨架可以提供電子的快速的傳輸通道，兩者協(xié)同作用能有效地改善上述問題。基于此本論文對硅酸鹽基材料進行了以下幾個部分的研究：
　?。?）控制合成不同粒徑的Li2FeSiO4/C復(fù)合材料調(diào)控其電化學(xué)性能。采用不同粒徑的二氧化硅為原料和模板，制備出了粒

3、徑可控的納米Li2FeSiO4/C材料。通過電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，顆粒的粒徑與材料的電化學(xué)性能相關(guān)性較強。粒徑20 nm的二氧化硅為前驅(qū)體制備出的Li2FeSiO4/C具有最優(yōu)的循環(huán)和倍率性能。在0.1 C的倍率下，其首周的放電容量為178.2 mAh g-1，70周循環(huán)后的放電比容量依舊保持在164.8 mAh g-1。在2 C的大倍率下，此材料仍保持了78 mAh g-1的放電比容量。較小的粒徑縮短了Li+的擴散路徑，均勻的碳包覆減小了電

4、化學(xué)過程中的電荷轉(zhuǎn)移阻抗，從而提升了材料的倍率性能。
　?。?）合成不同的粒徑及結(jié)晶度的Fe2SiO4/SiO2/C復(fù)合材料，并探索其用作鋰離子電池正極材料。電化學(xué)測試表明，粒徑最?。?0 nm）且無定型的復(fù)合納米材料Fe2SiO4/SiO2/C具有最為優(yōu)越的電化學(xué)性能。在16 mA g-1的電流密度下，其放電容量高達314 mAh g-1。進一步通過非原位XRD和XPS來研究了充放電過程實現(xiàn)的機理。
　　（3）設(shè)計構(gòu)筑三維

5、結(jié)構(gòu)的Fe2SiO4/rGO復(fù)合材料，實現(xiàn)電子的快速傳導(dǎo)從而提升材料電化學(xué)活性。采用原位生長的方法制備具有三維結(jié)構(gòu)的SiO2/GO，進一步與鐵源復(fù)合，得到了三維結(jié)構(gòu)的Fe2SiO4/rGO復(fù)合材料。結(jié)果顯示，石墨烯的用量對Fe2SiO4/rGO性能有較大的影響。隨著石墨烯含量的提高，電池的電荷轉(zhuǎn)移阻抗逐漸減小，材料的比容量和倍率性能逐漸提高。在0.5 C的倍率下，石墨烯含量為120 mg的Fe2SiO4/rGO具有111.1 mAh g