本文選題：硅基鋰離子電池 + 高倍率��； 參考：《南京大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：隨著智能移動(dòng)終端和電動(dòng)汽車行業(yè)的高速發(fā)展,研究開發(fā)高比容量、高倍率性能、長(zhǎng)循環(huán)壽命、可快速充放電且安全可靠的鋰離子電池已成為必然的趨勢(shì)。硅(Si)材料,理論比容量高至～4200mAh/g,為目前已知中最高,且儲(chǔ)量豐富,制造成本低廉,是取代目前商用碳基負(fù)極鋰離子電池最具有潛質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)者,引起廣泛而深入的研究。當(dāng)前,導(dǎo)電性差及巨大的體積膨脹(～400%)是硅基作為鋰電池負(fù)極材料面臨的主要挑戰(zhàn),導(dǎo)致其在電化學(xué)循環(huán)過程中循環(huán)壽命短,倍率性能低,穩(wěn)定性差,影響其投入商用。低維納米結(jié)構(gòu)具有巨大的表體比可提高負(fù)載量和鋰化嵌入反應(yīng)位點(diǎn)的密度,且本身能緩解體積膨脹,甚至納米結(jié)構(gòu)個(gè)體間的空隙可舒緩體積膨脹引起的擠壓,是比較理想的鋰離子電池負(fù)極的材料結(jié)構(gòu)。通過復(fù)合高導(dǎo)電性、低體積膨脹(甚至不參與鋰化反應(yīng))的材料----納米材料復(fù)合,可增強(qiáng)Si基材料的導(dǎo)電性,穩(wěn)定SEI膜,提高倍率性能和長(zhǎng)循環(huán)壽命,而通過納米結(jié)構(gòu)復(fù)合可提供多維導(dǎo)電通道,且增加機(jī)械穩(wěn)定性,可進(jìn)一步提升高倍率性能和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。本文針對(duì)Si基陽極鋰離子電池的倍率性能低、長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性差以及質(zhì)量負(fù)載低的問題,提出并發(fā)展了銅-硅(Cu-Si)納米材料和結(jié)構(gòu)"雙復(fù)合"的設(shè)計(jì)思路,構(gòu)建互聯(lián)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),制備高度互聯(lián)Cu/a-Si核殼納米線結(jié)構(gòu),進(jìn)一步結(jié)合原位中空技術(shù)和Cu_3Si納米顆粒復(fù)合嵌入技術(shù),獲得Cu-Si合金復(fù)合納米管陽極結(jié)構(gòu),通過對(duì)其形貌和結(jié)構(gòu)表征,以及高倍率性能和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性的測(cè)試,實(shí)現(xiàn)Si基鋰離子電池的高倍率快充和長(zhǎng)循環(huán)壽命。本論文的創(chuàng)新點(diǎn)具體如下:1、基于多孔Cu泡沫襯底,通過空氣熱氧化制備法和(NH4)2S2O8、NaOH溶液化學(xué)合成制備法分別制備高度交叉的CuO NWs基底結(jié)構(gòu),通過控制各自合成的參數(shù),可依次獲得長(zhǎng)度～10 um,直徑～40 nm筆直CuONWs線狀結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度～30 um,直徑～60nm的彎曲CuO NWs帶狀結(jié)構(gòu)�；趯�(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和理論分析,提出了形變應(yīng)力誘導(dǎo)Cu原子通過晶界擴(kuò)散生長(zhǎng)的CuO NWs生長(zhǎng)模型,并從晶格結(jié)構(gòu)闡明Cu(OH)2脫水轉(zhuǎn)變?yōu)镃uO的過程。2、將彎曲的CuO NWs帶狀結(jié)構(gòu)基底置于PECVD中,SiH4分解淀積,依形包裹覆蓋a-Si殼層,有效焊接交叉結(jié)構(gòu)成高度互聯(lián)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性,在H2氛圍內(nèi)低溫退火還原,形成Cu/a-Si核殼納米線陽極結(jié)構(gòu),在3.6 A/g(1 A/g)電流密度下循環(huán)700次(1000次),依然擁有比容量748mAh/g(1026mAh/g),容量保持率80%,獲得優(yōu)異的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。Cu芯的高導(dǎo)電性,核殼結(jié)構(gòu)的短距離離子擴(kuò)散長(zhǎng)度以及互聯(lián)的多導(dǎo)電通道結(jié)構(gòu)的復(fù)合思路,使得電極在經(jīng)歷64 A/g的超高電流密度下循環(huán)25次,返回1A/g,擁有75%的容量恢復(fù)率,隨后繼續(xù)循環(huán)至1000次,依然保持80%,為1026 mAh/g,展現(xiàn)出良好的高倍率性能和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。3、基于筆直的CuO NWs線狀結(jié)構(gòu),淀積覆蓋a-Si,膠合交叉結(jié)構(gòu)成互聯(lián)三維網(wǎng)絡(luò),增強(qiáng)機(jī)械魯棒性,在H2中高溫退火,還原的Cu原子擴(kuò)散至a-Si殼層并合金化成Cu_3Si納米顆粒,同時(shí)原位鏤空成空心結(jié)構(gòu),形成互聯(lián)中空Cu-Si合金納米管陽極,在3.4 A/g的電流密度下,循環(huán)1000次,比容量依然高達(dá)1010 mAh/g。Cu_3Si顆粒摻雜和互聯(lián)中空結(jié)構(gòu)的"雙復(fù)合"思路,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的高倍率性能,在20 A/g(3 min充滿一次電)的高電流密度下,快速充放電1000次,容量依然保持88%,比容量為780mAh/g,是目前商用石墨電極(378mAh/g)的兩倍多,一定程度上實(shí)現(xiàn)高效、快充、穩(wěn)定的Si基鋰離子電池。4、Cu_3Si納米顆粒的嵌入復(fù)合效應(yīng)可以提高Si基陽極的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。相比于傳統(tǒng)的B、P等摻雜工藝,該復(fù)合思路基于Cu_3Si非活性鋰化材料,避免了鋰化過程中的B、P等化學(xué)鍵的斷裂,進(jìn)而失去摻雜效果的現(xiàn)象,對(duì)提高儲(chǔ)能材料的導(dǎo)電性,增強(qiáng)其機(jī)械支撐,實(shí)現(xiàn)高倍率快速充放電和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性意義重大,也為實(shí)現(xiàn)快速充放電鋰離子電池提供全新的思路。
[Abstract]:This paper presents and develops the structure of Cu - Si ( Cu - Si ) nano - material and structure " double recombination " , which can improve the electrical conductivity of Si - based materials , stabilize SEI film , raise rate performance and long cycle life . Based on the experimental phenomena and theoretical analysis , a Cu / a - Si core - shell nano - wire anode structure was prepared by annealing at a current density of 64 A / g . Compared with the conventional B , P and other doping processes , the composite thought is based on the Cu _ 3 Si non - active lithiated material , thus the phenomena of B , P and other chemical bonds in the lithiation process can be improved , the conductivity of the energy storage material is improved , the mechanical support is enhanced , the high multiplying power rapid charge discharge and long cycle stability are significant , and the novel idea is also provided for realizing the rapid charge and discharge lithium ion battery .
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM912

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本文編號(hào)：2014379