鋰離子電池硅基負(fù)極用關(guān)鍵材料的研究.pdf

1、鋰離子電池結(jié)構(gòu)主要由電極、隔膜、電解液三部分組成，其中電極作為鋰離子電池的核心部分，對(duì)鋰離子電池的性能起決定性作用。電極主要由活性材料、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑組成。之前的研究中，活性物質(zhì)作為鋰離子電池的核心材料備受研究人員關(guān)注，而導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑作為鋰離子電池中使用量最少的材料，所受關(guān)注相對(duì)較少。導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑在電極中用量雖少，但起到的作用卻不容忽視，這一點(diǎn)在高容量負(fù)極中尤其明顯。
　　對(duì)于高容量負(fù)極，活性材料在鋰離子電池充放電過(guò)程中的較大

2、的體積變化會(huì)造成電極中導(dǎo)電通道斷開、活性層與集流體分離等問(wèn)題，造成鋰離子電池容量大幅衰減。采用新型導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑可以在對(duì)電池成本影響較小的前提下緩解或解決這些問(wèn)題。因此，本論文希望通過(guò)對(duì)導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的開發(fā)和改善，來(lái)提升高容量負(fù)極的電性能。
　　論文首先確定了一個(gè)適合高容量負(fù)極的基本電池裝配工藝。結(jié)合之前的研究，高容量負(fù)極在充放電循環(huán)中變化與傳統(tǒng)的碳基材料不同，傳統(tǒng)的電池工藝無(wú)法發(fā)揮出高容量負(fù)極的性能。因此我們通過(guò)多次嘗試找到了比

3、較適合高容量負(fù)極的電池工藝，并選用了納米硅作為負(fù)極的活性材料，以此為基礎(chǔ)來(lái)研究導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑。
　　導(dǎo)電劑方面我們開發(fā)出了二維納米材料與三維納米材料復(fù)合的導(dǎo)電劑，以適應(yīng)高容量負(fù)極材料。二維納米材料我們選用了酸化（羧基功能化）多壁碳納米管。制備了酸化多壁碳納米管，在表面引入缺陷與接枝羧基、羥基等基團(tuán)的同時(shí)，因多壁碳納米管的多通道傳輸特性，保證了碳納米管的導(dǎo)電性。羧基引入的作用有兩點(diǎn)，一是極大的改善了碳納米管的分散性，保證了極片長(zhǎng)程導(dǎo)

4、電網(wǎng)絡(luò)的暢通;二是增強(qiáng)了碳納米管與粘結(jié)劑之間的結(jié)合力。三維納米材料我們選用了SP，SP的比表面積較大，增大了導(dǎo)電劑與活性材料的接觸面積。
　　與傳統(tǒng)的SP導(dǎo)電劑相比，0.1C放電倍率下，混合導(dǎo)電劑將鋰離子電池的首次放電比容量從1938 mAh g-1提升為2927 mAh g-1，首次庫(kù)倫效率從79.2％提升到81.9％，100次循環(huán)后的容量保持率由59％提升到74.3％。
　　粘結(jié)劑方面我們首次使用陰離子聚丙烯酰胺(APA

5、M)作為鋰離子電池粘結(jié)劑。APAM作為粘結(jié)劑有以下優(yōu)點(diǎn)。一是水溶性好，環(huán)境友好。二是含有羧酸及羧酸鹽基團(tuán)，能夠與金屬活性材料和金屬集流體具有更強(qiáng)的結(jié)合力。三是分子量較大，可以較好的緩沖活性材料的體積膨脹。四是分子中含有大量的酰胺基，可形成大量的分子間和分子內(nèi)氫鍵，增強(qiáng)了APAM的自修復(fù)能力。
　　本論文對(duì)比了不同分子量的APAM與不同刷片配比對(duì)納米硅負(fù)極電池性能的影響。結(jié)果顯示當(dāng)使用1600萬(wàn)分子量的APAM(APAM16)作為粘