共軸結(jié)構(gòu)CNT@Si@SiC復合材料儲鋰性能研究
發(fā)布時間：2020-12-20 20:40
隨著便攜式電子設備不斷創(chuàng)新,以新能源汽車為代表的交通領(lǐng)域迅猛發(fā)展,人們對于電池能量密度的需求不斷增大,因此開發(fā)出能量密度高,循環(huán)壽命長,安全性好的鋰離子電池迫在眉睫。負極材料作為電池的一個關(guān)鍵組成部分,在很大程度上決定了鋰離子電池的容量和性能。具有高容量的硅基材料是目前最有價值的負極材料。但由于它在充放電過程中產(chǎn)生嚴重的體積效應,加上其自身導電效率低導致其作為鋰離子電池負極材料產(chǎn)生容量衰減快和倍率性能差等問題,致使其很難在電池領(lǐng)域進行廣泛的商業(yè)化應用。因此,設計構(gòu)筑能夠有效緩沖硅基負極體積效應同時提高其導電性的負極材料,成為發(fā)展硅負極的重要研究領(lǐng)域。本文以具有優(yōu)異力學性能和導電性的碳納米管為軸,研究構(gòu)筑共軸結(jié)構(gòu)的硅基負極材料,以改善其作為鋰離子電池負極的容量和穩(wěn)定性。本文通過溶膠凝膠法,以活化后的碳納米管為模板,在其表面上包覆一層TEOS水解得到的二氧化硅,通過鎂熱還原法和化學氣相沉積法制備出CNT@Si、CNT@Si@C、CNT@Si@SiC三種性能較好的共軸結(jié)構(gòu)的硅碳負極材。采用X射線衍射（X-ray Diffraction）、掃描電鏡（Scanning Electron Micr...
【文章來源】：遼寧科技大學遼寧省
【文章頁數(shù)】：62 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
鋰離子電池工作原理示意圖[69]
遼寧科技大學碩士學位論文5的容量衰減快速，循環(huán)壽命減少。1.4硅基負極材料在應用中存在的主要問題圖1.2顯示了目前人們主要研究的負極材料的工作電壓及其理論比容量[23]。圖1.2研究領(lǐng)域常見的新型正負極材料和前沿的電池電極材料[23]Fig.1.2TheroadmapforR&Dofnewelectrodematerialsandtoday"sstate-of-the-art[23]從圖中可以看出硅基負極材料的工作電壓電位較低，這不易產(chǎn)生鋰枝晶。再從理論比容量的角度來看，從圖中也看出硅基材料具有最高的理論容量。不僅如此，硅在自然界中元素分布廣泛，它在地殼中的含量僅次于氧元素[78]。單質(zhì)硅的來源比較豐富，并且人們對于單質(zhì)硅的制備提純的工藝探索也比較成熟。這些明顯的優(yōu)勢使得人們認為它是最有潛力的負極材料，對于硅基負極材料的研究也成為了如今科學界的研究熱點。然而，硅基材料作為鋰離子電池的負極材料自存在著不足和缺點，其中最為致命的就是在充放電循環(huán)過程中伴隨出現(xiàn)的巨大的體積膨脹效應[79-82]。巨大的體積膨脹效應使得它如今無法在實際生產(chǎn)中應用。
1.緒論6圖1.3硅負極失效機理圖：顆粒破裂、電接觸失效、SEI膜不穩(wěn)定[24]Fig.1.3FailuremechanismsoftheSianode:materialpulverization,electricalcontactfailureandunstableSEIlayer[24]眾所周知，硅的體積膨脹效應會使得容量快速衰減。圖1.3為硅基材料在充放電循環(huán)過程中的失效機理圖，從圖中可以看出硅基負極材料的在脫嵌鋰離子過程中的巨大的體積膨脹會對電極產(chǎn)生三方面的不利影響，具體影響如下：在充放電時，鋰離子在其中進行脫離和嵌入，這個過程會使得硅基材料內(nèi)部產(chǎn)生巨大的切壓應力，這些應力無法得到有效的釋放導致顆粒破裂最終使得電極材料粉化，使得電極材料與集電器失去電接觸，最終會導致材料的容量快速衰減。在充放電過程中硅基材料的體積會發(fā)生變化，當硅顆粒嵌鋰的時候體積膨脹使得顆粒與顆粒之間會不斷擠壓，當硅顆粒脫鋰的時候體積又會迅速收縮，使得顆粒與顆粒之間相互分離，導致電極材料與粘結(jié)劑脫離使得導電網(wǎng)絡不斷被破壞，最終導致材料與集電器失去電接觸，致使容量衰減，循環(huán)壽命縮短。當放電的電壓在1V以下時，電極內(nèi)的固液交界面會出現(xiàn)電解液分解的現(xiàn)象，使得負極表面會覆蓋一層SEI膜。盡管SEI膜阻止電子通過只可以允許Li+通過，適當?shù)腟EI膜有助于電極材料的穩(wěn)定性，但是硅顆粒劇烈的體積膨脹會撐破表面形成的SEI膜，使得硅顆粒再次與電解液直接接觸，導致新的SEI膜形成覆蓋在原本破裂的SEI膜外。隨著循環(huán)次數(shù)的增多SEI膜不斷生長覆蓋使得SEI膜不斷增厚，過厚的SEI膜會降低電子的轉(zhuǎn)移效率和鋰離子的擴散能力，而且消耗了大量的不可逆的Li+，致使硅基材料的可逆容量大幅下降。
本文編號：2928517
【文章來源】：遼寧科技大學遼寧省
【文章頁數(shù)】：62 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
鋰離子電池工作原理示意圖[69]
遼寧科技大學碩士學位論文5的容量衰減快速，循環(huán)壽命減少。1.4硅基負極材料在應用中存在的主要問題圖1.2顯示了目前人們主要研究的負極材料的工作電壓及其理論比容量[23]。圖1.2研究領(lǐng)域常見的新型正負極材料和前沿的電池電極材料[23]Fig.1.2TheroadmapforR&Dofnewelectrodematerialsandtoday"sstate-of-the-art[23]從圖中可以看出硅基負極材料的工作電壓電位較低，這不易產(chǎn)生鋰枝晶。再從理論比容量的角度來看，從圖中也看出硅基材料具有最高的理論容量。不僅如此，硅在自然界中元素分布廣泛，它在地殼中的含量僅次于氧元素[78]。單質(zhì)硅的來源比較豐富，并且人們對于單質(zhì)硅的制備提純的工藝探索也比較成熟。這些明顯的優(yōu)勢使得人們認為它是最有潛力的負極材料，對于硅基負極材料的研究也成為了如今科學界的研究熱點。然而，硅基材料作為鋰離子電池的負極材料自存在著不足和缺點，其中最為致命的就是在充放電循環(huán)過程中伴隨出現(xiàn)的巨大的體積膨脹效應[79-82]。巨大的體積膨脹效應使得它如今無法在實際生產(chǎn)中應用。
1.緒論6圖1.3硅負極失效機理圖：顆粒破裂、電接觸失效、SEI膜不穩(wěn)定[24]Fig.1.3FailuremechanismsoftheSianode:materialpulverization,electricalcontactfailureandunstableSEIlayer[24]眾所周知，硅的體積膨脹效應會使得容量快速衰減。圖1.3為硅基材料在充放電循環(huán)過程中的失效機理圖，從圖中可以看出硅基負極材料的在脫嵌鋰離子過程中的巨大的體積膨脹會對電極產(chǎn)生三方面的不利影響，具體影響如下：在充放電時，鋰離子在其中進行脫離和嵌入，這個過程會使得硅基材料內(nèi)部產(chǎn)生巨大的切壓應力，這些應力無法得到有效的釋放導致顆粒破裂最終使得電極材料粉化，使得電極材料與集電器失去電接觸，最終會導致材料的容量快速衰減。在充放電過程中硅基材料的體積會發(fā)生變化，當硅顆粒嵌鋰的時候體積膨脹使得顆粒與顆粒之間會不斷擠壓，當硅顆粒脫鋰的時候體積又會迅速收縮，使得顆粒與顆粒之間相互分離，導致電極材料與粘結(jié)劑脫離使得導電網(wǎng)絡不斷被破壞，最終導致材料與集電器失去電接觸，致使容量衰減，循環(huán)壽命縮短。當放電的電壓在1V以下時，電極內(nèi)的固液交界面會出現(xiàn)電解液分解的現(xiàn)象，使得負極表面會覆蓋一層SEI膜。盡管SEI膜阻止電子通過只可以允許Li+通過，適當?shù)腟EI膜有助于電極材料的穩(wěn)定性，但是硅顆粒劇烈的體積膨脹會撐破表面形成的SEI膜，使得硅顆粒再次與電解液直接接觸，導致新的SEI膜形成覆蓋在原本破裂的SEI膜外。隨著循環(huán)次數(shù)的增多SEI膜不斷生長覆蓋使得SEI膜不斷增厚，過厚的SEI膜會降低電子的轉(zhuǎn)移效率和鋰離子的擴散能力，而且消耗了大量的不可逆的Li+，致使硅基材料的可逆容量大幅下降。
本文編號：2928517
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