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(guān)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(fù)極的電極材料。然而,硅材料諸多明顯的缺點阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展為可靠的商業(yè)化負(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(gòu)建納米結(jié)構(gòu)和復(fù)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(jié)構(gòu),二維納米薄膜直接在集流體上生長,避免了導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑添加造成的容量損失。與一些新型的納米結(jié)構(gòu)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(fù)合薄膜作為鋰離子電池負(fù)極材料。采用微波增強(qiáng)等離子體氣相沉積技術(shù)制備了不同晶化率Si薄膜,采用射頻磁控濺射技術(shù)制備了不同厚度的非晶硅薄膜和不同成分的Si-Zr復(fù)合薄膜,并且分析了薄膜成分、結(jié)構(gòu)、電化學(xué)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(fù)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(fù)合薄膜的倍率性能。研究結(jié)果表明,隨著晶化率提高,Si薄膜負(fù)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(yīng)力增加,Si電極材料出現(xiàn)了更加嚴(yán)重的開裂和粉化現(xiàn)象,導(dǎo)致電極循環(huán)穩(wěn)定性變差。Si-Zr復(fù)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(fù)合薄膜負(fù)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(dá)72%。電化學(xué)阻抗譜測試結(jié)果表明,隨著Zr含量提高,Si-Zr復(fù)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(yīng)的倍率性能優(yōu)于純Si薄膜,說明Si-Zr復(fù)合薄膜具有良好的倍率性能。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(jié)構(gòu)
        1.4.1 鋰離子電池正極材料
    1.5 鋰離子電池負(fù)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(jìn)展
    1.7 研究目的及內(nèi)容
2 實驗部分
    2.1 實驗材料及設(shè)備
        2.1.1 實驗藥品和材料
        2.1.2 實驗設(shè)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(jié)構(gòu)表征
        2.3.3 薄膜形貌表征
    2.4 電池組裝及電化學(xué)測試
        2.4.1 扣式鋰離子電池組裝
        2.4.2 電化學(xué)性能測試技術(shù)
3 純Si薄膜負(fù)極材料及其電化學(xué)性能
    3.1 不同晶化率硅薄膜電化學(xué)性能
        3.1.1 物相與結(jié)構(gòu)表征
        3.1.2 不同晶化率硅薄膜電化學(xué)特性與循環(huán)性能
    3.2 不同厚度非晶硅薄膜電化學(xué)性能
    3.3 本章小結(jié)
4 Si-Zr復(fù)合薄膜負(fù)極及其電化學(xué)性能
    4.1 薄膜負(fù)極成分及結(jié)構(gòu)表征
    4.2 薄膜負(fù)極電化學(xué)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(xué)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(jié)
5 結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況
致謝

【參考文獻(xiàn)】

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1 章福平;紀(jì)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(xué)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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