由于儲量豐富、理論比容量高和安全性好等優(yōu)點,鋰離子電池Si負極材料成為研究熱點。但Si負極材料存在本征電導率低,脫/嵌鋰過程中體積變化大,電極循環(huán)穩(wěn)定性和動力學性能差等問題,難以滿足實際應用的需要。針對以上問題,本文設計并制備了兩種硅/碳復合負極材料,并重點研究了其儲鋰性能,主要研究內容如下所示:（1）以正硅酸乙酯（TEOS）為硅源,采用溶膠凝膠法在功能化碳納米管（CNTs）表面包覆SiO2,再通過鎂熱還原法可得到CNTs/Si復合材料,最后以間苯二酚為碳源在CNTs/Si復合材料表面包覆獲得CNTs/Si/C復合負極材料。機械性能較好的CNTs可作為導電支撐網(wǎng)絡,提高電子電導率,包覆的碳層可緩解Si負極材料的體積變化率,保持電極材料的完整性,從而改善Si負極材料的循環(huán)穩(wěn)定性能。重點探究了不同含量的碳包覆層對復合負極材料儲鋰性能的影響,研究表明CNTs/Si/C-7.5樣品綜合性能最好,在100 mA g-1電流密度下的最高可逆比容量為967 mAhg-1,200圈循環(huán)后的放電比容量仍有710 mAh g-1,在500 mAg-1下循環(huán)800圈后的容量保持率為74.7%。（2）在合成Z... 

【文章來源】：西安理工大學陜西省

【文章頁數(shù)】：62 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

LiCoO2/C鋰離子電池工作原理[15]

積法；以及在超高真空的高溫條件下，使碳化硅中硅原子升華，剩下的碳原子通過自組裝重構生長石墨烯的且對設備要求高的外延生長法等。碳納米管最早是由日本科學家S.lijima在1991年首次通過電弧放電的方法制備出來的，其結構是碳原子通過σ鍵結合形成的正六邊形通過排列組合形成單層或者多層的具有同一個軸的空心碳管。從結構上來說，碳納米管也可以被認為是將片層結構的石墨烯朝一個方向卷曲而得到的材料，根據(jù)卷曲成碳納米管所需不同片層數(shù)的石墨烯而言，可以將碳納米管材料分為單壁（一層）碳納米管和多壁碳納米管兩大類，如圖1-2(c)所示是單壁碳納米管的結構示意圖。同時碳納米管的儲鋰性能也會因為其結構層數(shù)的不同而發(fā)生變化。圖1-2(a)石墨，(b)石墨烯，(c)碳納米管三種材料的結構示意圖[21]Fig.1-2Schematicdiagramsofthreematerials:(a)graphite,(b)graphene,(c)carbonnanotubes[21]無定形碳材料是除了石墨化碳材料外的另一大類碳材料。無定形碳材料由微晶無序排列組成，其晶面間距較大，按可以發(fā)生石墨化的難易程度可以分為軟碳與硬碳兩大類。其中軟碳是指溫度在2500℃以上時易發(fā)生石墨化的無定形碳材料，主要有焦炭類（石油焦、針狀焦）、碳纖維、非石墨化中間相碳微球等；硬碳是指溫度在2500℃以上時難以發(fā)生石墨化的無定形碳材料，主要有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、蜜胺樹脂、聚糖醇（PFA）和炭黑等。無定形碳的嵌鋰量一般高于石墨化碳材料，放電平臺也高于石墨，倍率性能較好。但是無定形碳材料的不可逆容量較大，循環(huán)性能較差，而且存在明顯的電壓滯后現(xiàn)象。鈦酸鋰類材料（Li4Ti5O12）是另一類嵌入式負極材料，它屬于尖晶石結構，F(xiàn)d3m空間群，電壓平臺稍高于比石墨材料，有更優(yōu)異的安全性能，并且材料成本低，毒性弱，在脫嵌鋰過程中結構?

能穩(wěn)定，還可以使整個電池體系的輸出電壓維持在一個較高標準。但是合金化材料在嵌脫鋰過程中晶體結構會發(fā)生較大的體積膨脹或收縮，反復的充放電過程會導致合金化負極材料結構坍塌和顆粒粉化，使電極材料與集流體分離，在電化學反應中無法發(fā)揮自身價值，最終導致電池容量迅速衰減[24]。另外，由于體積效應而引起循環(huán)過程中活性材料的不斷破碎與粉化，使合金材料表面的原始SEI膜破裂，將原本被包裹的電極表面裸露出來，使其新表面上重新合成SEI膜并持續(xù)再生長，此過程是材料的庫倫效率降低且電子的傳輸速率緩慢的重要原因，如圖1-3所示。圖1-3鋰離子電池合金化型負極材料(Si、Ge、和Sn)的儲鋰機制[25]Fig.1-3Lithiumstoragemechanismoflithiumionbatteryalloyedanodematerials(Si,Ge,andSn)[25]在眾多高容量的鋰離子電池負極材料中，合金化型負極材料因體積膨脹而產生的以上兩方面的問題無法使電池滿足生產要求，應用于實際生活中。所以科學家們以合金化型負極材料的結構和組成作為切入點，針對性的設計了以下有效的方案以期改善負極材料的不足：（1）根據(jù)納米尺寸效應可以有效改善此類材料在循環(huán)過程中因體積膨脹引起的應力從而造成其結構破壞的思路，對該材料采用納米化合成方式獲得不同形貌尺寸的負極材料，達到減輕電極材料的粉化以及減少材料結構坍塌的效果，改善材料的循環(huán)穩(wěn)定性能；（2）依賴多孔結構材料的優(yōu)勢，針對性的在合金化型負極材料制備過程中進行造孔處理，達到增加活性材料比表面積、緩解電極材料由于鋰離子脫嵌而產生體積膨脹效應的目的；（3）將合金化型負極材料與其他導電基體進行復合，在提高電子傳輸速率的同時可以緩解由體積膨脹而產生的應力。1.3.3結構轉換型負極材料

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3135063