基于單寧酸和多巴胺的鋰離子電池材料的制備及其性能研究.pdf

1、最近數(shù)年，鋰離子電池研究取得很多突破，逐漸在電動(dòng)汽車、混合電動(dòng)汽車以及電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中得到大規(guī)模的推廣。因此，目前世界各國(guó)的科研工作者都對(duì)鋰離子電池重要組成部分隔膜和電極材料，開展了廣泛而深入的研究。
　　本文第一個(gè)研究?jī)?nèi)容是鋰離子電池隔膜。目前商用隔膜大部分是聚烯烴隔膜，聚烯烴隔膜的疏水表面性質(zhì)和低表面活性，將導(dǎo)致其與傳統(tǒng)電解液接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生很差的兼容性。這種與電解液浸潤(rùn)性很差的問題會(huì)直接使聚烯烴隔膜中的孔隙不會(huì)完全充滿電解液，然

2、后導(dǎo)致隔膜和電極之間具有高離子電阻。這不僅會(huì)直接影響電池性能如循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，而且在制造的成本和速度上帶來額外的缺點(diǎn)，因?yàn)楦裟け浑娊庖航?rùn)是電池制造過程最慢的步驟之一。針對(duì)這個(gè)問題，本文采用單寧酸自聚合包覆聚烯烴隔膜，在有氧氣的情況下給聚烯烴隔膜涂覆一層親水層。制備出被包覆的隔膜與未包覆的隔膜分別進(jìn)行ATR-FTIR、SEM、XPS、DSC、接觸角、電導(dǎo)率等測(cè)試；并在鋰離子電池中通過循環(huán)伏安、電池充放電循環(huán)、電池倍率等測(cè)試對(duì)比了這

3、兩類隔膜的電化學(xué)性能。最后得出結(jié)論，單寧酸包覆后的聚烯烴隔膜與未包覆聚烯烴隔膜相比，隔膜的孔隙率和熱性能并未發(fā)生改變；包覆后隔膜用于鋰離子電池中，改善了隔膜的浸潤(rùn)性能，使得隔膜的電解液浸潤(rùn)能力提高，電池的電化學(xué)性能改善。
　　硅（Si）作為最有前景可以廣泛應(yīng)用的鋰離子電池負(fù)極材料之一，已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。Si用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，由于其具有可逆容量高、相比于其它材料不易發(fā)生團(tuán)聚、自身放電平臺(tái)比較低等特點(diǎn)，其可用于未來高能量

4、密度鋰離子電池的負(fù)極材料，具有非常好的發(fā)展前景。但是，Si材料之所以沒能廣泛應(yīng)用于商業(yè)鋰離子電池中，最主要原因即是其在嵌鋰過程中會(huì)存在嚴(yán)重的體積膨脹效應(yīng)，很容易造成電極結(jié)構(gòu)的崩塌，導(dǎo)致容量急劇衰減，電池循環(huán)穩(wěn)定性很差。針對(duì)以上問題，本文一個(gè)研究?jī)?nèi)容是擬通過采用多巴胺發(fā)生自聚合反應(yīng)包覆在Si納米粒子表面，再經(jīng)過高溫?zé)崽幚?，形成均一穩(wěn)定的氮摻雜碳層，進(jìn)而制得具有“核-殼”結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米材料，再利用NaOH處理材料得到具有“蛋黃殼”結(jié)構(gòu)的復(fù)合

5、納米材料，以抑制電池循環(huán)過程中納米粒子之間的團(tuán)聚及體積膨脹效應(yīng)，從而達(dá)到改善電池電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性的效果。在對(duì)Si納米粒子進(jìn)行碳包覆改性處理的實(shí)驗(yàn)中，我們利用多巴胺在常溫常壓條件下能夠發(fā)生自聚合反應(yīng)生成聚多巴胺，并以此為碳源，經(jīng)高溫?zé)崽幚?，在Si納米粒子表面生成均一穩(wěn)定的碳涂層。然后通過NaOH刻蝕途徑，來制備Si@void@C納米復(fù)合材料。通過紅外光譜分析、X射線衍射、X射線光電子能譜測(cè)試、熱失重分析、透射電子顯微鏡、交流阻抗、恒流充放

6、電循環(huán)測(cè)試等方法研究了碳包覆改性對(duì)改善電池循環(huán)穩(wěn)定性的作用機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納米粒子表面包覆碳層的厚度為5-10nm，碳含量為25%。在室溫（25℃）條件下，以1 A/g恒定倍率進(jìn)行充放電循環(huán)測(cè)試，純Si在循環(huán)6次以后，其放電比容量基本衰減到100 mAh/g以下，電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性很差；Si@C復(fù)合納米粒子也發(fā)生了較為明顯的容量衰減現(xiàn)象，但由于其粒子表面包覆一層碳?xì)?，電池的整體循環(huán)性能相比于純Si而言，得到了一定的改善，但由于沒有形成中

7、空結(jié)構(gòu)，表面碳層不足以抑制Si的體積膨脹效應(yīng)，待發(fā)生破壞后，電池的容量急劇衰減；由NaOH刻蝕制得的Si@void@C復(fù)合納米粒子，相比于純Si和Si@C，其電化學(xué)穩(wěn)定性得到了明顯改善，在1A/g恒定倍率循環(huán)過程中，電池容量雖有衰減，但衰減的程度不大，經(jīng)過50次循環(huán)后，容量仍然可以達(dá)到804 mAh/g；綜合來看，N摻雜碳包覆的Si@void@C復(fù)合粒子，相比于純Si，具有優(yōu)異的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。在電池倍率性能測(cè)試中，從0.1 A/g到

8、5 A/g，Si@void@C電池倍率性能要好于Si@C電池倍率性能。
　　本文的第三個(gè)研究?jī)?nèi)容是單寧酸作為碳源包覆硅納米材料。在鋰離子電池負(fù)極和正極材料研究中，經(jīng)常會(huì)使用到的碳包覆正極或負(fù)極材料進(jìn)行改性，以獲得電化學(xué)性能更好的鋰離子電池電極材料。為了探索更方便可行的碳包覆方法，提高碳包覆效果，我們采用單寧酸在常溫下能夠發(fā)生自聚合反應(yīng)，在純Si納米粒子表面包覆一層聚單寧酸，后經(jīng)高溫碳化處理，進(jìn)而生成一層均一連續(xù)的碳層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明