鋰離子電池硅碳復合負極材料的制備及其性能研究.pdf

1、鋰離子電池由于具有比能量大、工作電壓高、安全性好、環(huán)境污染小等優(yōu)點，在各種便攜式電子設備、電動汽車等方面有著廣泛的應用前景。最近幾年，隨著對高能電源需求的增長，圍繞如何開發(fā)高能密度、快速大功率充放電的鋰離子電池展開了大量研究。一般來說，鋰離子電池的總比容量是由組成電池的各元件共同決定的，而負極材料作為儲鋰的主體，是提高鋰離子電池總比容量、循環(huán)壽命、充放電性能等相關參數的關鍵。
　　硅具有非常高的理論比容量和較低的嵌/脫鋰電位，被認

2、為是最具有潛力實現下一代高能量密度鋰離子電池的新型負極材料之一。但在充放電過程中，體積過度膨脹粉化導致容量衰減快，成為其作為商業(yè)負極材料的最大障礙。而碳材料作為負極材料雖然比容量小，但不僅具有一定的電化學活性，結構也較穩(wěn)定，可以作為硅電極的“緩沖基體”。因此，結合兩者的性能有可能制備出具有高容量和優(yōu)良循環(huán)性能的硅-碳復合負極材料。
　　本論文是與法國圣戈班集團上海研發(fā)中心合作，擬開發(fā)出一種具有高容量和優(yōu)良循環(huán)性能的鋰離子電池硅碳復

3、合負極材料。主要研究內容有，通過SiO發(fā)生歧化反應，在不同的熱處理條件下制備多種Si-SiOx復合物，并將其與用真空抽濾法制備的三維網絡結構石墨烯進行自組裝，得到不同種類的Si-SiOx-C復合負極材料。用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和藍電電池測試系統(tǒng)分別對Si-SiOx復合物、石墨烯及Si-SiOx-C復合材料的形貌、結構和電化學性能進行了表征。
　　實驗結果表明，真空抽濾法可以成功

4、制備空間網絡結構十分明顯的3D結構石墨烯。其電化學測試結果顯示，石墨烯首次循環(huán)充電比容量為311.2mAh/g，與純炭材料的理論比容量372mAh/g相差較少，且?guī)靷愋矢哌_84.9％;經過100次循環(huán)后充電比容量為134.1mAh/g，雖然相比首次充電比容量有所減少，但是比容量仍然較高，且整個充放電過程的穩(wěn)定性也較好，第100次循環(huán)的庫倫效率也高達97％，充分說明3D結構石墨烯用作鋰離子電池負極材料時具有較好的電化學性能。
　　

5、通過SiO的歧化反應成功制備了Si-SiOx復合物。制備過程中由于熱處理條件不同得到的Si-SiOx復合物的性能也不同。其電化學測試結果顯示，隨著反應過程中的熱處理溫度的升高，Si的結晶度也隨之升高，相應的Si-SiOx復合物的首次循環(huán)充放電比容量卻越來越低，這是因為熱處理溫度越高，Si的結晶度越大，Si的顆粒尺寸越大，尺寸較大的Si顆粒不利于鋰離子嵌入和脫出，從而導致比容量下降。而在Si-SiOx復合物的多次循環(huán)性能測試中，復合物的比

6、容量急劇下降，這是由于歧化反應過程中生成了大量的單質硅，雖然硅具有非常高的理論比容量和較低的嵌/脫鋰電位，但其體積過度膨脹粉化導致容量衰減快，因而循環(huán)數次之后其容量大大衰減。說明較低的熱處理溫度有利于制備出比容量更高的Si-SiOx復合物電極材料。
　　當Si-SiOx復合物與石墨烯自組裝之后，得到的Si-SiOx-C復合材料的首次循環(huán)充放電比容量大大提高，充電比容量由152.24mAh/g上升到811.3mAh/g，不可逆容量也