硅和鍺基納米材料的合成及作為鋰離子電池負(fù)極材料的研究.pdf

1、近年來，便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)工具以及電動(dòng)汽車技術(shù)的高速發(fā)展對(duì)鋰離子電池的性能提出了更高的要求，從而激發(fā)了新一代高比容量、長(zhǎng)循環(huán)壽命的鋰離子電池負(fù)極材料的研究。與目前商用的碳類負(fù)極材料相比，硅、鍺基負(fù)極材料具有更高的比容量與能量密度，因此被認(rèn)為是有潛力的下一代鋰離子電池負(fù)極材料。但是硅、鍺基負(fù)極材料在充放電循環(huán)過程中產(chǎn)生了巨大的體積變化，這會(huì)導(dǎo)致電極材料的粉碎以及電極導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的崩潰，從而使循環(huán)性能急劇衰減。通過構(gòu)建特定的硅、鍺基微納結(jié)構(gòu)以

2、及與碳等材料復(fù)合等手段，能夠在一定程度上改善硅、鍺基負(fù)極材料的循環(huán)壽命。但是，目前國(guó)內(nèi)外的研究仍然沒有完全解決上述問題。因此，進(jìn)一步設(shè)計(jì)和制備硅、鍺基納米負(fù)極材料，改善鋰離子電池負(fù)極材料的充放電性能具有重要意義。
　　本文通過無電金屬沉積法合成了硅納米線與多孔硅顆粒，利用模板法合成了硅鍺復(fù)合材料一維納米結(jié)構(gòu)陣列，利用固相熱分解法合成了多孔鍺顆粒。在此基礎(chǔ)上，研究了上述材料作為鋰離子電池負(fù)極材料的性能，取得了以下主要?jiǎng)?chuàng)新成果:

3、>　　(1)利用無電金屬沉積的方法，以單晶硅片和冶金硅粉末為原料，大量合成了Si納米線以及多孔Si顆粒。作為鋰離子電池負(fù)極材料，上述兩種Si基材料由于具有納米線形貌/多孔性質(zhì)，能夠緩解充放電過程中的體積膨脹，顯示了優(yōu)于碳材料以及Si粉體材料的充放電性能。在上述兩種材料中，Si納米線作為鋰離子電池負(fù)極材料的性能更加優(yōu)越。
　　(2)以ZnO納米棒陣列作為犧牲性模板，經(jīng)共濺射的方法合成了SiGe多孔納米棒陣列電極。作為鋰電池負(fù)極材料，

4、SiGe納米棒陣列顯示了優(yōu)良的循環(huán)性能，其循環(huán)性能、倍率性能均好于平板電極以及相同方法合成的硅納米棒陣列電極。這種多孔納米棒陣列中存在的空隙，可以有效緩沖充放電過程的體積變化。而摻入Ge能夠提高其導(dǎo)電性和鋰離子遷移率，從而進(jìn)一步提高其充放電性能。
　　(3)利用化學(xué)氣相沉積方法，在泡沫鎳襯底上合成NixSiy納米線陣列。通過共濺射的方法，在NixSiy表面沉積一層SiGe層，得到NixSiy-SiGe核殼納米線陣列。作為鋰電池負(fù)極

5、材料，NixSiy-SiGe核殼納米線陣列表現(xiàn)出了優(yōu)于對(duì)應(yīng)平板電極、純硅電極以及SiGe納米棒陣列電極的循環(huán)性能與倍率性能。這是由于NixSiy納米線具有良好的導(dǎo)電性并且與電極基片具有良好的結(jié)合力，且Ge的摻入能夠提高硅基材料的導(dǎo)電性和鋰離子遷移率，因此能夠進(jìn)一步提高硅基材料的充放電性能。通過改變化學(xué)氣相沉積過程中的Sill4與H2流量比，可以獲得不同組分與形貌的NixSiy納米線陣列。其中，Ni31Si12-SiGe核殼納米線陣列電極

6、的性能最為優(yōu)越，這得益于Ni31Si12納米線陣列更好的導(dǎo)電性以及與基片更牢固的結(jié)合力。
　　(4)以Mg2Ge為源，在空氣中熱處理，經(jīng)過后續(xù)酸洗，合成了多孔Ge顆粒。經(jīng)乙炔裂解包碳后，得到了Ge@C多孔顆粒。這種顆粒由于具有多孔性，能夠有效的緩解充放電過程中的體積膨脹，而且碳層能夠提高導(dǎo)電性，并在充放電過程中有效緩解Ge的體積膨脹，因此能夠表現(xiàn)出優(yōu)于Ge粉體、以及商用碳材料的充放電性能。類似的方法還能被用來制備多孔Si粉等其他的