本文選題：鋰離子電池 + 多孔硅　； 參考：《上海交通大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：鋰離子電池具有能量密度高和自放電速率低等特點(diǎn),已被廣泛地應(yīng)用在手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等可攜帶的電子產(chǎn)品上。然而,它的能量密度仍不能滿足新興的電動(dòng)交通工具的需求。作為鋰電池的一個(gè)關(guān)鍵部分,電極材料決定著電化學(xué)性能。硅和錫具有理論儲(chǔ)鋰容量高、嵌鋰平臺(tái)低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是取代商品化石墨負(fù)極的潛力物質(zhì)。然而,硅和錫在鋰化過(guò)程中產(chǎn)生巨大的體積膨脹,導(dǎo)致材料的粉化,使得容量快速衰減。此外,硅和錫的本征電導(dǎo)率和鋰離子擴(kuò)散速率低,這些缺點(diǎn)限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。本文通過(guò)合成納米結(jié)構(gòu)的硅、錫基復(fù)合材料來(lái)提高儲(chǔ)鋰性能,詳細(xì)內(nèi)容如下:(1)納米銀和石墨烯雙重修飾多孔硅。通過(guò)鎂熱還原商品化MCM-41得到多孔硅,氫氟酸刻蝕后的硅表面疏水性,因此,很難通過(guò)傳統(tǒng)的銀鏡反應(yīng)將其表面包覆納米銀。我們通過(guò)硝酸銀浸漬/熱分解方法在硅表面修飾上了納米銀。最后,通過(guò)氧化石墨烯熱還原得到納米銀-多孔硅/石墨烯復(fù)合材料。該復(fù)合材料顯示了高的比容量,好的循環(huán)穩(wěn)定性以及優(yōu)越的倍率性能。優(yōu)異的電化學(xué)屬性歸因于以下方面:硅的多孔結(jié)構(gòu)不僅能緩沖鋰化過(guò)程中產(chǎn)生的體積膨脹,而且有利于鋰離子和電解液的傳輸。納米銀和石墨烯雙重修飾不僅能增加硅表面的電導(dǎo)率,而且可以減少硅的表面與電解液直接接觸。(2)聚吡咯包覆多孔硅納米空心球。將St?ber法合成的二氧化硅球分散在水中“孵化”得到介孔二氧化硅納米空心球,然后在氫氬混合氣氛650°C下,鎂還原二氧化硅得到多孔硅納米空心球,最后在冰/水浴中,吡咯在硅表面原位聚合,得到聚吡咯@多孔硅空心球復(fù)合材料。電化學(xué)研究表明:在電流密度1.0 A g-1的條件下,循環(huán)250圈后的比容量和第二圈的相比,保持率有88%,顯示該材料有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。在電流密度1.0、2.0、4.0和8.0 A g-1的條件下依次循環(huán)20圈,分別得到放電比容量為2594、1610、1125和661 mA h g-1,當(dāng)電流密度再逐步回升到1.0 A g-1時(shí),放電比容量恢復(fù)到近起始水平。該材料優(yōu)越的儲(chǔ)鋰性能得益于其多孔空心結(jié)構(gòu)和聚吡咯包覆�？招慕Y(jié)構(gòu)和殼上的多孔通道不僅有利于鋰離子和電解液的擴(kuò)散,而且能夠緩沖體積膨脹和降低擴(kuò)散引起的應(yīng)力。聚吡咯包覆能夠提高硅表面的電導(dǎo)率以及穩(wěn)定電極材料的整個(gè)結(jié)構(gòu)。(3)錫/一氧化錫嵌入褶皺的氮摻雜石墨烯。將納米錫和氮摻雜石墨烯混合,在氬氣氛圍中加熱到250°C,熔融的錫將通過(guò)毛細(xì)管作用力慢慢滲入氮摻雜石墨烯的孔中,并與氮摻雜的石墨烯表面的官能團(tuán)反應(yīng),得到錫/一氧化錫/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料。褶皺的氮摻雜石墨烯中剩余的孔容不僅能夠?yàn)檠h(huán)過(guò)程中錫產(chǎn)生的巨大體積膨脹提供空間,而且有利于鋰離子和電解液傳輸。氮摻雜石墨烯的引入還能提高電極材料的導(dǎo)電性。生成的一氧化錫使得氮摻雜石墨烯和錫基顆粒接觸緊密,在脫嵌鋰過(guò)程中避免顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚以及保持復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。電化學(xué)研究表明:在電流密度1.0 A g-1的條件下,循環(huán)250圈后的放電比容量高達(dá)853mA h g-1,和第一圈的相比,保持率有79%,顯示該材料有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。在電流密度0.5、1.0、2.0、4.0、8.0和16.0 A g-1的條件下依次循環(huán)10圈,分別得到放電比容量為1224、874、701、561、401和241 mA h g-1,經(jīng)過(guò)高倍率充放電后,當(dāng)電流密度再逐步回升到1.0 A g-1時(shí),放電比容量高達(dá)634 mA h g-1,展示該材料有優(yōu)異的倍率性能。
[Abstract]:The present invention has the advantages of high energy density and low self - discharge rate , and is widely applied to electronic products such as mobile phone , notebook computer , digital camera and so on .

【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB33;TM912

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本文編號(hào)：1858383