隨著多功能電子器件的開發(fā)和電動車市場的不斷成熟,科研界和企業(yè)界對開發(fā)高性能鋰離子電池電極材料尤為關注。硅材料具有很高的放電比容量、低放電平臺、豐富的地殼儲量和友好的環(huán)保特性,是極具潛力的替代現(xiàn)有商業(yè)化石墨負極的電極材料。然而,硅材料諸多明顯的缺點阻礙了其進一步發(fā)展為可靠的商業(yè)化負極。首先硅材料在充放電過程中產(chǎn)生的巨大體積變化(超過300%)將引起電極開裂、粉化和剝離,導致鋰離子電池容量不斷衰減直至完全失效。其次,較高的電阻率制約了硅材料容量釋放,導致硅材料較差的倍率性能。針對以上問題,不少研究者通過構建納米結構和復合其他材料的方式改善硅材料的循環(huán)性能。相比其他納米結構,二維納米薄膜直接在集流體上生長,避免了導電劑和粘結劑添加造成的容量損失。與一些新型的納米結構相比,二維薄膜的制備工藝更加成熟,具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。本文主要研究純Si薄膜和Si-Zr復合薄膜作為鋰離子電池負極材料。采用微波增強等離子體氣相沉積技術制備了不同晶化率Si薄膜,采用射頻磁控濺射技術制備了不同厚度的非晶硅薄膜和不同成分的Si-Zr復合薄膜,并且分析了薄膜成分、結構、電化學性能。本文重點研究了晶化率和薄膜厚度對純Si薄膜循環(huán)性能的影響,研究了薄膜成分對Si-Zr復合薄膜循環(huán)性能和界面接觸阻抗的影響,比較了純Si和Si-Zr復合薄膜的倍率性能。研究結果表明,隨著晶化率提高,Si薄膜負極材料循環(huán)穩(wěn)定性不斷變差,容量衰減迅速。非晶Si薄膜在循環(huán)過程中容量比較穩(wěn)定,具有最高的容量保持率。隨著薄膜厚度增加,Si薄膜循環(huán)過程中釋放的應力增加,Si電極材料出現(xiàn)了更加嚴重的開裂和粉化現(xiàn)象,導致電極循環(huán)穩(wěn)定性變差。Si-Zr復合薄膜的研究表明,Zr添加抑制了薄膜電極循環(huán)過程的開裂和粉化,提高了薄膜電極循環(huán)穩(wěn)定性。隨著Zr含量增加,Si-Zr復合薄膜負極循環(huán)穩(wěn)定性不斷提高。其中,Si_(71.3)Zr_(28.7)具有最佳的循環(huán)穩(wěn)定性,300圈后容量保持率高達72%。電化學阻抗譜測試結果表明,隨著Zr含量提高,Si-Zr復合薄膜界面接觸電阻先降后增。Si_(86.3)Zr_(13.7)具有最低的界面接觸阻抗,其對應的倍率性能優(yōu)于純Si薄膜,說明Si-Zr復合薄膜具有良好的倍率性能。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TB383.2;TM912
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 鋰離子電池研究背景
    1.2 鋰離子電池工作原理
    1.3 鋰離子電池特點
    1.4 鋰離子電池結構
        1.4.1 鋰離子電池正極材料
    1.5 鋰離子電池負極材料
        1.5.1 碳基材料
        1.5.2 Sn基材料
        1.5.3 過渡金屬氧化物
    1.6 硅基材料研究進展
    1.7 研究目的及內容
2 實驗部分
    2.1 實驗材料及設備
        2.1.1 實驗藥品和材料
        2.1.2 實驗設備
    2.2 硅基薄膜樣品制備
    2.3 薄膜樣品表征手段
        2.3.1 薄膜成分表征
        2.3.2 薄膜結構表征
        2.3.3 薄膜形貌表征
    2.4 電池組裝及電化學測試
        2.4.1 扣式鋰離子電池組裝
        2.4.2 電化學性能測試技術
3 純Si薄膜負極材料及其電化學性能
    3.1 不同晶化率硅薄膜電化學性能
        3.1.1 物相與結構表征
        3.1.2 不同晶化率硅薄膜電化學特性與循環(huán)性能
    3.2 不同厚度非晶硅薄膜電化學性能
    3.3 本章小結
4 Si-Zr復合薄膜負極及其電化學性能
    4.1 薄膜負極成分及結構表征
    4.2 薄膜負極電化學性能表征
        4.2.1 恒流充放電曲線
        4.2.2 微分容量曲線
        4.2.3 電化學阻抗譜分析
        4.2.4 倍率性能分析
        4.2.5 循環(huán)后電極形貌
    4.3 本章小結
5 結論
參考文獻
攻讀碩士學位期間發(fā)表學術論文情況
致謝

【參考文獻】

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1 章福平;紀勇;李安東;范昊;蔣圓聞;顧諶翟;;鋰離子電池正極材料研究的新動向和挑戰(zhàn)[J];化學通報;2011年10期

2 ;Lithium ion battery cathode material LiNi_yCo_zMn_(1-y-z)O_2[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2000年03期

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1 劉春靜;鋰離子電池錫基納米負極材料制備及儲鋰性能[D];大連理工大學;2015年

本文編號：2865651