本文選題：硅納米線　切入點(diǎn)：鋰離子電池　出處：《浙江大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著智能電子設(shè)備和電動(dòng)車輛的迅速普及,對(duì)于擁有更高能量密度的鋰離子電池(LIB)的需求迅速增長。硅是一種極具潛力的新型負(fù)極材料,理論比容量高達(dá)4200mAh g-1,而且其工作電壓也很低( 0. 5 V vs. Li/Li+)。但是硅在鋰離子嵌入過程中,會(huì)發(fā)生超過300%的體積膨脹,多次循環(huán)后會(huì)導(dǎo)致電極粉末化和容量的迅速損失。采用硅納米結(jié)構(gòu)作為電池負(fù)極材料是一種能有效提升硅基負(fù)極循環(huán)穩(wěn)定性能的方法,因?yàn)榧{米級(jí)的尺寸可以減小系統(tǒng)的整體應(yīng)力和電荷傳輸路徑,而納米結(jié)構(gòu)中的常見的空隙可以容納嵌鋰時(shí)的體積膨脹。但目前硅基負(fù)極的研究還存在著制備成本較高和循環(huán)穩(wěn)定性較差等問題。因此在本文中,我們主要圍繞著硅納米結(jié)構(gòu)的制備及其在鋰離子電池方面的應(yīng)用研究展開工作,具有包括以下內(nèi)容。(1)通過化學(xué)氣相沉積法(CVD)在硅襯底上生長取向性良好的硅納米線陣列。系統(tǒng)研究了實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)硅納米線陣列形貌的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在較低的生長溫度下(455-500℃)或在較高的SiH4流量下,硅納米線的生長速率更快,并且更容易得到較小直徑的硅納米線;催化劑金厚度不超過5nm時(shí),薄膜厚度對(duì)硅納米線長度和直徑都不會(huì)有太大的影響,但是與硅納米線密度成正相關(guān)關(guān)系。(2)通過兩步CVD方法制備碳化硅(SiC) /硅(Si)核殼納米線/碳纖維紙復(fù)合結(jié)構(gòu),并直接用其作為電池電極,無需額外的粘結(jié)劑或?qū)щ妱�。這種復(fù)合電極結(jié)構(gòu)擁有很高的比表面積和較短的電子收集路徑,并且提高了單位面積活性物質(zhì)質(zhì)量。在恒流充放電速率為0. 1C和0. 5C的條件下,經(jīng)過50次循環(huán),樣品的放電比容量保持為2837和1809mAh g-1。通過對(duì)循環(huán)后SiC/Si核殼納米線的SEM和TEM形貌表征,證明了 SiC納米線的存在提高了硅基負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性。最后,通過優(yōu)化Si沉積時(shí)間和SiC納米線生長條件等參數(shù),可進(jìn)一步提升電池性能。(3)通過兩步CVD法,使用氧化鋅納米線陣列作為犧牲模板,制備了碳包裹的硅納米管陣列/碳纖維布復(fù)合結(jié)構(gòu),并直接用其作為鋰離子電池電極,無需額外的粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑。三維的碳纖維布結(jié)構(gòu)提供了超高的比表面積和較短的電子收集距離,硅納米管的中空結(jié)構(gòu)為嵌鋰時(shí)的體積膨脹提供了容納空間,最后外層包裹的碳膜不僅提升了電極整體的導(dǎo)電性,還起到了穩(wěn)定固體電解質(zhì)界面膜的作用。經(jīng)過100次循環(huán),碳包裹的硅納米管陣列/碳纖維布電極的容量仍然高達(dá)2198mAh g-1,并且展現(xiàn)出了良好的倍率性能。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了制備條件,通過減小硅層厚度進(jìn)一步提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。本文研究表明,硅納米材料/碳纖維編制物復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠有效地提升硅基負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性。碳纖維編織物因其高柔韌性、高導(dǎo)電性、高化學(xué)穩(wěn)定性和高比表面積等優(yōu)點(diǎn),是一種理想的電化學(xué)襯底材料,因此這種復(fù)合結(jié)構(gòu)在柔性固態(tài)鋰離子電池和可穿戴儲(chǔ)能設(shè)備方面也有很好的應(yīng)用前景。
[Abstract]:With the rapid spread of smart electronic devices and electric vehicles, the demand for lithium-ion batteries with higher energy density has increased rapidly. The theoretical specific capacity is as high as 4200mAh g-1, and the working voltage is very low (0.5 V vs. Li/Li). However, the volume expansion of silicon in the process of lithium ion intercalation will occur more than 300%. After repeated cycles, the electrode powder and capacity will be rapidly lost. It is an effective method to improve the stability of silicon based negative electrode cycle by using silicon nanostructure as the anode material of the battery. Because nanoscale sizes can reduce the overall stress and charge transfer path of the system, The common voids in nanostructures can accommodate the volume expansion of lithium intercalation. However, there are still some problems in the study of silicon-based negative electrodes, such as high cost of preparation and poor cycle stability. We focus on the preparation of silicon nanostructures and their applications in lithium-ion batteries. A silicon nanowire array with good orientation was grown on silicon substrate by chemical vapor deposition (CVD). The effects of experimental parameters on the morphology of silicon nanowire array were systematically studied. The experimental results show that the morphology of silicon nanowire array is low. At 455-500 鈩，

本文編號(hào)：1641566