當(dāng)今社會(huì)對(duì)能源儲(chǔ)存的需求日益迫切,鋰離子電池因其具有儲(chǔ)能密度高、使用壽命長(zhǎng)、額定電壓高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用。負(fù)極材料是決定鋰電容量的關(guān)鍵因素。目前,商業(yè)化的鋰離子電池常用的負(fù)極材料是石墨等碳系材料,但碳類負(fù)極材料的比容量較低,很難適應(yīng)人們對(duì)高能鋰電的要求。而硅負(fù)極具有理論比容量、低脫嵌鋰電壓、儲(chǔ)量豐富、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),有望成為下一代高能鋰電的負(fù)極材料。但是,硅負(fù)極商業(yè)化仍具有以下挑戰(zhàn):（1）隨著鋰離子的脫嵌,硅的體積膨脹可達(dá)300%以上,造成負(fù)極活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)坍塌,鋰電的循環(huán)性能衰減;（2）粉碎的硅負(fù)極與電解液和鋰離子持續(xù)生成SEI膜,造成不可逆的容量損失;（3）硅在常溫下的電導(dǎo)率較低,使鋰離子脫嵌時(shí)受到較大的阻力。針對(duì)以上問題,本實(shí)驗(yàn)分別研制了微米級(jí)摻雜硅、納米級(jí)摻雜硅和摻雜石墨,通過使用高溫?zé)峤狻⑶蚰ズ图?xì)胞粉碎方法等制備不同的碳硅復(fù)合材料,取得以下結(jié)論:（1）相比于使用碳-微米級(jí)未摻雜硅的鋰電,使用碳/微米級(jí)n型摻雜和p型摻雜硅負(fù)極的鋰電內(nèi)阻均下降了34?至114?,并且首圈放電比容量容量增加了136.6 mAh/g至517.0 mAh/g;（2）碳納米管-碳包覆硅的結(jié)構(gòu)能夠有效改善硅負(fù)極... 

【文章來源】：華僑大學(xué)福建省

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

鋰離子電池充放電的基本原理[8]

2質(zhì)制造的電解液。鋰離子電池的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)70年代末，始于“搖椅式電池”理論的提出[4]，即利用具有不同電位的材料分別作為正負(fù)極，從而使鋰電子能在正負(fù)極之間來回的移動(dòng)。這一猜想隨后被迅速采納，鋰化二氧化鎢、二硫化鈦材料被用于鋰離子電池的制備，這一研究成果大大地提高了電池的循環(huán)壽命[5]。上世紀(jì)80年代，Goodenough等人[6]創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋰合金金屬氧化物具有NaFeO2結(jié)構(gòu)時(shí)，在相對(duì)較高的電位下能夠可逆地嵌入/脫出鋰離子，基于這一理論，LixCoO2等層狀氧化物正極材料被科學(xué)家們成功應(yīng)用。1991年，索尼公司將LiCoO2作為活性正極材料、石油焦作為負(fù)極材料的鋰離子電池體系正式商業(yè)化，這標(biāo)志著鋰離子電池的商業(yè)化拉開帷幕[7]。鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)與工作原理如下圖1所示[8]，鋰離子電池由正極、負(fù)極、隔膜及電解質(zhì)四個(gè)基本組件構(gòu)成。工作時(shí)，鋰離子在正負(fù)電極材料間嵌入/脫出，并隨充放電，可逆地循環(huán)往復(fù)。電池放電時(shí)，金屬鋰失去電子生成Li+后從負(fù)極材料中脫出并在電解液中遷移，透過隔膜最終嵌入到正極材料中。電池充電時(shí)鋰離子的運(yùn)動(dòng)則經(jīng)歷相反的過程。以鈷酸鋰正極和石墨負(fù)極組成的鋰離子電池為例，其原理反應(yīng)方程式如下[9]：正極：(1.1)負(fù)極：(1.2)總反應(yīng)：(1.3)圖1鋰離子電池充放電的基本原理[8]圖2為鋰離子電池主要的三種包裝類型[10]。其中圓柱形電池組件纏繞更緊密，所以體積能量密度更高，比其他兩種類型高約20%[11-12]，在動(dòng)力電池領(lǐng)域應(yīng)

3用較多。而棱柱型電池及軟包電池則受利于小的死體積和高的設(shè)計(jì)自由度，被廣泛地應(yīng)用于小型化、便攜式電子設(shè)備中。圖2三種商業(yè)化電池結(jié)構(gòu)圖:(a)圓柱型電池;(b)棱柱型電池;(c)軟包電池[10]1.2.2鋰離子電池的結(jié)構(gòu)鋰離子電池主要由正負(fù)極材料、電解液、隔膜、粘結(jié)劑、集流體、正負(fù)極耳及封裝材料等物件組成。其中正負(fù)極材料、電解液和隔膜是目前鋰離子的電池性能研究的關(guān)鍵部分。正負(fù)極材料是能夠多次脫嵌鋰離子的活性物質(zhì)。正極大多是過渡金屬氧化物，比如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳錳酸鋰、三元鎳鈷錳鋰、三元鎳鈷鋁鋰及富鋰錳基材料[13-20]，它們具有較高的氧化還原電位。相比之下，負(fù)極則是氧化還原電位較低的活性材料，比如碳系材料、硅基材料、鈦基氧化物等。電解液在電池中起到電荷傳遞的作用，是正負(fù)極活性物質(zhì)間的傳輸介質(zhì)。鋰離子電池的電解液由多種復(fù)合型有機(jī)溶劑、電解質(zhì)鋰鹽和相關(guān)添加劑構(gòu)成[21-22]，一般為溶有鋰鹽的碳酸酯類有機(jī)溶劑，鋰鹽主要有LiPF6、LiClO4、LiAsF6和LiBF4等。隔膜則處于正負(fù)極之間，起到防止正負(fù)極接觸而導(dǎo)致電池短路的作用。同時(shí)，隔膜需要允許鋰離子通過[23-27]。隔膜在鋰離子電池中屬于非活性組分，但是隔膜的原材料、制備工藝以及對(duì)應(yīng)的孔結(jié)構(gòu)和厚度等因素與鋰離子電池的電化學(xué)性能及安全性緊密相關(guān)。具體地，鋰離子電池用隔膜需要滿足以下要求：化學(xué)穩(wěn)定性好、尺寸穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高、良好的浸潤(rùn)性、合適的孔隙率、合適的孔徑大小和孔徑分布、合適的厚度、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和熱關(guān)閉性、降低成本[28-29]。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 楊衛(wèi)明,胡巖,殷新建,彭壽.  建材世界. 2019(05)
[2]儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展關(guān)鍵問題[J]. 張東輝,徐文輝,門錕,張樹卿,盧嗣斌.  南方能源建設(shè). 2019(03)
[3]高性能氮摻雜石墨烯的制備及其儲(chǔ)鋰性能[J]. 沈進(jìn)冉,郭翠靜,陳赫,周淑琴,徐斌,官亦標(biāo).  儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù). 2019(06)
[4]微米級(jí)硅/碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)鋰性能[J]. 潘慶瑞,左朋建,木天勝,尹鴿平.  電池. 2018(04)
[5]儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 李佳琦.  電子測(cè)試. 2015(18)

碩士論文
[1]鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備及其脫嵌鋰性能研究[D]. 曹志穎.大連海事大學(xué) 2017
[2]鋰離子電池硅基負(fù)極材料的制備與性能研究[D]. 孫偉.蘭州理工大學(xué) 2016



本文編號(hào)：3400530