在日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和石油資源枯竭的雙重壓力下,尋找一種新的綠色可再生能源替代現(xiàn)有的化石能源已成為人類的迫切需要。由于諸多性能的優(yōu)勢,鋰離子電池1991年成功商業(yè)化后,短短10年內(nèi),便在人類生活的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,被認(rèn)為是解決人類能源和環(huán)境雙重危機的最有效途徑之一。盡管經(jīng)過20多年的研究開發(fā),鋰離子電池仍然是以石墨作為負(fù)極材料,而石墨類材料本身存在比容量低的缺陷,阻礙了鋰離子電池比容量的進一步提高。因此想要提高現(xiàn)有鋰離子電池比容量,使其在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用,就需要改良現(xiàn)有的石墨負(fù)極體系。經(jīng)過20多年的研究,研究人員發(fā)現(xiàn)了目前比容量最高的負(fù)極活性材料硅基負(fù)極,但是硅負(fù)極存在體積膨脹巨大、SEI膜易被破壞等缺點。所以研究人員想復(fù)合硅基負(fù)極材料和石墨負(fù)極材料,結(jié)合石墨負(fù)極材料的電化學(xué)穩(wěn)定性和硅基負(fù)極比容量高的優(yōu)勢,制備出兼?zhèn)鋬烧邇?yōu)良性能的下一代鋰離子負(fù)極材料。為了充分了解現(xiàn)有的商業(yè)化硅碳負(fù)極材料的制備工藝、組成成分和電化學(xué)性能,本文選擇了四家硅碳負(fù)極生產(chǎn)商的硅碳負(fù)極材料,制備成標(biāo)準(zhǔn)的CR2032紐扣電池,控制實驗變量,進行比對實驗,通過一系列表征手段和電化學(xué)性能測試,我們發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的商業(yè)化硅碳負(fù)極材料主要是通過納米級的硅顆粒或者一氧化硅顆粒與石墨或者無定形進行機械復(fù)合制備而成,其中硅元素占比3%~50%不等,當(dāng)硅元素占比過高時,硅碳負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能明顯降低。為了進一步探討現(xiàn)有的主流粘結(jié)劑對于不同質(zhì)量比的硅碳負(fù)極材料性能的影響,本文設(shè)置了正交實驗組,做了大量的基礎(chǔ)實驗來探究不同粘結(jié)劑在硅碳復(fù)合負(fù)極制備過程中的效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在硅含量低于5%時,使用CMC+SBR的水系粘結(jié)能有效保證電極的循環(huán)首效和循環(huán)穩(wěn)定性,而當(dāng)硅含量超過20%時,使用PAA+NMP的油系粘結(jié)劑能明顯提高電極的首效和可逆比容量。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB33;TM912
【部分圖文】：

圖 1-2：鋰離子電池主要組成成分Figure 1-2: Main components of a lithium ion battery池工作原理如圖 1-3 所示，其反應(yīng)實質(zhì)是一個鋰離子鋰離子電池（正極材料為 LiCoO2，負(fù)極材料為石墨）工作原理，充電時，鋰離子從 LiCoO2正極中脫出，進入下，進入石墨負(fù)極，此時 LiCoO2正極脫鋰，石墨負(fù)極電子運動方向與鋰離子方向相反；放電時，鋰離子從解液中，進入 LiCoO2 正極，外部電子運動方向相反，墨負(fù)極脫鋰。如此反復(fù)循環(huán)，實現(xiàn)鋰離子在正負(fù)極間路中會有相同數(shù)量的電子來回運動。該電池總電化學(xué)如式 1-3~式 1-5 所示

圖 1-3：商業(yè)化鋰離子電池工作原理圖[32]Figure 1-3: Working principle of commercial lithium-ion battery正極：LiCoO2= xLi++xe-+ Li1-xCoO2(式 1-3)負(fù)極：C+xLi++xe-=LixC6(式 1-4)反應(yīng)總方程式：LiCoO2+C= Li1-xCoO2+ LixC6(式 1-5)1.3 鋰離子電池正極材料正極是鋰離子電池的五大組成部分之一，在鋰離子的循環(huán)過程中，正極材料不僅要提供在正負(fù)極來回循環(huán)的鋰離子，還要為負(fù)極活性物質(zhì)提供形成固態(tài)電解質(zhì)（SEI）膜消耗的鋰[33]。鋰離子電池生產(chǎn)成本中，正極材料占所有成本的40%左右，所以電池的生產(chǎn)成本主要受正極材料成本的影響[34]。根據(jù)鋰實際應(yīng)用需求，能夠滿足以下要求的正極材料才算是理想的鋰離子電池正極材料：

圖 1-4：LiCoO2晶體結(jié)構(gòu)圖[38]Figure 1-4: Crystal structure diagram of LiCoO2正極材料晶石結(jié)構(gòu)，電極點位高，它的理論比容量只有 120 mAh/g[39]，是一種被認(rèn)為有很大希望替代的鋰離子電池正極材料，LiMn2O4晶體結(jié)構(gòu)如圖 1-5：LiMn2O4晶體結(jié)構(gòu)圖[39]
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本文編號：2848848