本文關(guān)鍵詞：光伏產(chǎn)業(yè)高純切割硅廢料作為高性能鋰離子電池負(fù)極的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：硅具有高的理論儲(chǔ)鋰比容量(4200mAhg~(-1))、較低的工作電位平臺(tái)、儲(chǔ)量豐富和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),有望替代商業(yè)化石墨成為鋰離子電池的新型負(fù)極材料。然而,硅在充/放電循環(huán)過(guò)程中存在劇烈的體積效應(yīng),容易導(dǎo)致顆粒機(jī)械粉化/破碎、固體電解質(zhì)界面(SEI)膜動(dòng)態(tài)重構(gòu)以及電極內(nèi)部導(dǎo)電環(huán)境喪失。針對(duì)上述瓶頸問(wèn)題,人們通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行納米化如制備硅納米球、硅納米線、硅納米管、硅納米中空球、硅納米多孔結(jié)構(gòu),以及構(gòu)筑“yolk-shell”特殊構(gòu)型的Si@void@C復(fù)合材料等多種優(yōu)化途徑,使硅基負(fù)極的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性得到很大的提升。然而,上述改性方法需要比較復(fù)雜的工藝步驟和專門設(shè)備(如化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)等),產(chǎn)量較低且成本高,難以實(shí)現(xiàn)硅基負(fù)極材料的商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用�？梢�(jiàn),要實(shí)現(xiàn)硅基負(fù)極材料的實(shí)際應(yīng)用,必須從兩個(gè)方面同時(shí)入手進(jìn)行解決:1)解決硅材料的高質(zhì)、高效制備技術(shù),規(guī)�；恐苽湮�/納米硅材料;2)針對(duì)規(guī)�；苽涞玫降墓璨牧线M(jìn)行合理純化和表面改性,并對(duì)電化學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。根據(jù)上述考慮,本論文以學(xué)科交叉視角入手,選擇光伏產(chǎn)業(yè)晶體硅金剛線切割高純廢料作為廉價(jià)硅源。近年來(lái),光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展期,全球單晶硅年產(chǎn)量已超過(guò)10萬(wàn)噸。而制備太陽(yáng)能電池時(shí),通常需要將高純硅錠切割成單元硅片。在切割過(guò)程中,根據(jù)理論計(jì)算將有44%的晶體硅被切磨為高純硅(99.9999%純度)“鋸屑”進(jìn)入到切割漿料中,而在實(shí)際加工過(guò)程中則有高達(dá)50%-55%的晶體硅以亞微米級(jí)硅粉的形式損失,這意味著每年光伏產(chǎn)業(yè)將有超過(guò)5萬(wàn)噸硅廢料產(chǎn)生。顯然,若能將光伏產(chǎn)業(yè)硅廢料成功應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料,必將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。因此,本論文的工作主要包括以下兩個(gè)方面:(1)采用光伏產(chǎn)業(yè)高純切割硅廢料作為鋰離子電池硅基負(fù)極的原材料,通過(guò)對(duì)切割硅廢料進(jìn)行清洗、純化并對(duì)其進(jìn)行有效的表面改性,使其表面羥基化并在表面形成一層均勻、致密、連續(xù)的Si Ox層;選擇海藻酸鈉作為粘結(jié)劑,通過(guò)表面富羥基化的硅顆粒與海藻酸鈉中的羧基官能團(tuán)形成作用力較強(qiáng)的氫鍵,使海藻酸鈉牢牢地粘附在硅顆粒表面,增強(qiáng)粘結(jié)劑與硅表面之間的相互作用力,同時(shí)加強(qiáng)了導(dǎo)電劑與硅直接的緊密連接。在長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中,電極可承受住硅體積的反復(fù)膨脹/收縮,而不會(huì)形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的破壞,因此可以保持非常優(yōu)異循環(huán)性能和倍率性能。經(jīng)過(guò)200次循環(huán),電極的可逆比容量仍保持有2815.5 mAhg~(-1),容量保持率高達(dá)93.7%。在1C、5C、10C和20C高倍率下的可逆比容量分別為2432、2276、1998和1561 mAhg~(-1),比容量保持率依次為77.5%、72.6%、63.7%和49.8%(相對(duì)于在0.05C倍率下的容量)。(2)采用不同含量的氧化后的切割硅廢料與石墨在瑪瑙研缽中研磨混合均勻,得到不同硅含量硅/石墨混合材料作為鋰離子電池負(fù)極材料。目的是將石墨穩(wěn)定的電化學(xué)性能與硅的高容量特點(diǎn)相結(jié)合:硅可以彌補(bǔ)石墨低能量密度的缺點(diǎn);石墨作為支撐內(nèi)核材料,可以緩沖硅顆粒的機(jī)械應(yīng)力并提高硅材料的電子導(dǎo)電性,石墨顆粒之間的空隙也可進(jìn)一步為硅的體積膨脹提供緩沖空間,從而提高材料的循環(huán)性能。經(jīng)過(guò)150次充/放電循環(huán)后,硅含量為10%、20%、30%和40%的極片的可逆比容量分別為430.6、751.1、882.2和440.4 mAhg~(-1),相對(duì)于第30次充/放電循環(huán)的比容量(438.4、825.8、987和1119.6 mAhg~(-1)在相同電流密度下充/放電循環(huán)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的比容量),容量保持率分別為98.22%、90.95%、89.38%和39.33%�？梢�(jiàn),硅/石墨混合電極片中硅含量控制在30%以下時(shí),均能保持穩(wěn)定的長(zhǎng)期循環(huán)性能。本論文工作具有明顯的學(xué)科交叉特點(diǎn),將光伏產(chǎn)業(yè)和鋰離子電池兩個(gè)領(lǐng)域結(jié)合在一起,既解決了光伏產(chǎn)業(yè)廢料的后處理問(wèn)題,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電池級(jí)硅材料的高質(zhì)、高效制備,為未來(lái)鋰離子電池用硅材料的規(guī)�；a(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用提供了一條嶄新的技術(shù)路線。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 硅基負(fù)極材料 光伏產(chǎn)業(yè)切割硅廢料 切割硅廢料/石墨混合材料
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM912
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 緒論12-42
• 1.1 引言12-13
• 1.2 鋰離子電池概述13-17
• 1.2.1 鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀13-14
• 1.2.2 鋰離子電池特點(diǎn)14-15
• 1.2.3 鋰離子電池工作原理15-17
• 1.3 鋰離子電池負(fù)極材料發(fā)展現(xiàn)狀17-21
• 1.3.1 層間插入式嵌鋰負(fù)極材料17-18
• 1.3.2 金屬氧化物類負(fù)極材料18-20
• 1.3.3 合金化嵌鋰負(fù)極材料20-21
• 1.4 硅基負(fù)極材料的儲(chǔ)鋰機(jī)制、特點(diǎn)及面臨的問(wèn)題21-23
• 1.5 硅基負(fù)極材料性能優(yōu)化方案23-32
• 1.5.1 硅材料的納米化23-26
• 1.5.2 材料的復(fù)合化26-30
• 1.5.3 粘結(jié)劑和電解液的優(yōu)化30-32
• 1.6 本論文的主要思路以及主要的工作內(nèi)容32-35
• 參考文獻(xiàn)35-42
• 第二章 實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)儀器與材料表征42-48
• 2.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器42-44
• 2.2 材料表征44-46
• 2.2.1 X射線衍射分析（XRD）測(cè)試44
• 2.2.2 掃描電子顯微鏡（SEM）測(cè)試44-45
• 2.2.3 透射電子顯微鏡（TEM）測(cè)試45
• 2.2.4 熱重/差熱（TG/DTA）分析測(cè)試45
• 2.2.5 比表面分析（BET）測(cè)試45
• 2.2.6 X射線能量色散譜分析（EDS）測(cè)試45-46
• 2.3 電極片的制備和電池的組裝46
• 2.3.1 電極片的制備過(guò)程46
• 2.3.2 扣式電池的組裝46
• 2.4 電池的電化學(xué)性能測(cè)試46-48
• 2.4.1 電池充放電測(cè)試46-47
• 2.4.2 電池循環(huán)伏安（CV）測(cè)試47
• 2.4.3 電池電化學(xué)阻抗（EIS）測(cè)試47-48
• 第三章 光伏產(chǎn)業(yè)高純硅廢料作為高性能鋰離子電池負(fù)極材料的性能研究48-75
• 3.1 引言48-49
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分49-52
• 3.2.1 光伏產(chǎn)業(yè)切割硅廢料來(lái)源49-50
• 3.2.2 亞微米級(jí)硅片的純化50-51
• 3.2.3 亞微米級(jí)硅片的表面改性51
• 3.2.4 材料電化學(xué)性能表征51-52
• 3.3 結(jié)果與討論52-65
• 3.3.1 原始切割硅廢料及純化、改性后的相關(guān)表征分析52-57
• 3.3.2 純化和表面改性后的切割硅廢料的電化學(xué)性能比較57-65
• 3.4 本章小結(jié)65-67
• 參考文獻(xiàn)67-75
• 第四章 光伏產(chǎn)業(yè)高純硅廢料與石墨混合作為鋰離子電池負(fù)極材料的性能研究75-91
• 4.1 引言75-76
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分76-77
• 4.2.1 不同質(zhì)量比硅/石墨混合材料極片的制備76
• 4.2.2 電化學(xué)性能表征76-77
• 4.3 結(jié)果與討論77-85
• 4.3.1 切割硅廢料/石墨混合負(fù)極的SEM分析77-78
• 4.3.2 切割硅廢料/石墨混合材料的XRD分析78-79
• 4.3.3 切割硅廢料/石墨混合負(fù)極的電化學(xué)性能測(cè)試79-85
• 4.4 本章小結(jié)85-87
• 參考文獻(xiàn)87-91
• 第五章 總結(jié)與展望91-93
• 碩士期間發(fā)表的論文93-94
• 致謝94-95

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本文編號(hào)：461247