本文關(guān)鍵詞：靜電紡絲法設(shè)計和制備微米金屬硅鋰電池負極材料的性能研究

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【摘要】：隨著人類活動的范圍的擴大,對能源的需求愈加強烈,但傳統(tǒng)的化石能源的利用,卻對我們的環(huán)境造成了深刻的影響,造成了很多環(huán)境公害的同時,也對人類自身繁衍產(chǎn)生了副作用,這就促使我們對新能源的利用展開研究。但風能、太陽能、水能和潮汐能等新能源的利用,通常會受到環(huán)境等條件的限制,我們需要一種可以調(diào)節(jié)供給端的不連續(xù)和需求端的峰谷變化的設(shè)備,而以鋰離子二次電池為代表的二次電池就是其中非常重要的一種。在目前商用的鋰離子電池中,負極是由石墨來充當?shù)?石墨理論容量為372mAh/g,擁有優(yōu)秀的循環(huán)穩(wěn)定性,良好的導電性和廉價的成本,但對性能的追求讓眾多研究者不停追逐容量更高的負極材料。作為下一代潛力負極材料,硅的理論容量達到4200mAh/g,但其在嵌鋰過程中會產(chǎn)生400%的體積膨脹,這會導致硅材料的粉末化,形貌破壞和SEI膜的增厚,再加上硅材料本身導電性不佳,這都會影響硅材料的電池性能。目前關(guān)于改善硅電極性能的方法主要集中在制備將硅材料納米化或者設(shè)計復雜的類似于核殼的微結(jié)構(gòu)限制硅的體積膨脹。但這些方法因為步驟復雜,所用的實驗試劑較多,成本高昂,這為其工業(yè)化應用產(chǎn)生了巨大的阻礙。為了解決這一問題,本文首先選取了半導體工業(yè)中廉價的純度98%的金屬硅,將其粉碎到微米級別后,利用靜電紡絲法這一設(shè)備低廉,制備簡便的方法,制備Si/C復合材料,進行一系列的材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和制備方法探索。設(shè)計出了硅材料直接加入紡絲液中紡絲的硅碳材料,引入二氧化硅犧牲層創(chuàng)造硅材料膨脹空間的硅碳材料,核殼雙針頭雙組份創(chuàng)造內(nèi)部空間的硅碳材料,雙針頭靜電紡絲靜電噴霧雙噴的硅碳材料,經(jīng)過性能對比,我們發(fā)現(xiàn)在含硅20%的情況下,雙針頭靜電紡絲靜電噴霧雙噴的硅碳材料首次循環(huán)可以達到63.01%,在100次循環(huán)之后仍能夠保持71.2%的容量保持率,同時也擁有較好的倍率性能,以此為鋪墊,為探索降低硅負極材料使用成本的研究者提供了方向。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子二次電池 金屬硅 硅負極材料 靜電紡絲 硅碳復合材料
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM912;TQ340.64
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-31
• 1.1 引言11-12
• 1.2 靜電紡絲的設(shè)備和工作原理12-14
• 1.2.1 靜電紡絲的基本設(shè)備12-13
• 1.2.2 靜電紡絲的工作原理13-14
• 1.3 離子電池的發(fā)展歷史和工作原理14-17
• 1.3.1 鋰離子電池的發(fā)展歷史14-15
• 1.3.2 鋰離子電池的工作原理15-17
• 1.4 鋰離子電池負極材料的發(fā)展現(xiàn)狀17-29
• 1.4.1 碳基負極材料17-18
• 1.4.2 硅基負極材料18-20
• 1.4.3 硅碳復合材料20-27
• 1.4.4 靜電紡絲技術(shù)在硅碳復合材料中的應用27-29
• 1.5 本論文的主要工作29-31
• 第二章 實驗方法31-34
• 2.1 引言31
• 2.2 實驗試劑31
• 2.3 實驗儀器31-32
• 2.4 負極材料表征測試32-33
• 2.5 電化學性能測試33
• 2.6 小結(jié)33-34
• 第三章 靜電紡絲法制作碳材料及低純度硅材料負極性能的研究34-41
• 3.1 引言34
• 3.2 低純度硅材料的制備34-37
• 3.2.1 實驗流程34-35
• 3.2.2 材料表征35-36
• 3.2.3 電化學性能測試36-37
• 3.3 靜電紡絲碳纖維的制備37-40
• 3.3.1 實驗流程38
• 3.3.2 材料表征38-39
• 3.3.3 電化學性能測試39-40
• 3.4 小結(jié)40-41
• 第四章 靜電紡絲法制作碳及低純度硅復合結(jié)構(gòu)負極材料的研究41-59
• 4.1 引言41
• 4.2 硅材料直接加入紡絲液中靜電紡絲41-45
• 4.2.1 實驗流程41-42
• 4.2.2 材料表征42-43
• 4.2.3 電化學性能測試43-45
• 4.3 引入二氧化硅犧牲層創(chuàng)造空間的靜電紡絲硅碳材料45-49
• 4.3.1 實驗流程45-46
• 4.3.2 材料表征46-47
• 4.3.3 電化學性能測試47-49
• 4.4 核殼雙針頭雙組份靜電紡絲制作核殼硅碳復合材料49-53
• 4.4.1 實驗流程49-50
• 4.4.2 材料表征50-51
• 4.4.3 電化學性能測試51-53
• 4.5 雙針頭靜電紡絲靜電噴霧雙噴制作硅碳復合材料53-58
• 4.5.1 實驗流程53-54
• 4.5.2 材料表征54-55
• 4.5.3 電化學性能測試55-58
• 4.6 小結(jié)58-59
• 第五章 結(jié)論與展望59-62
• 5.1 結(jié)論59-61
• 5.2 展望61-62
• 參考文獻62-67
• 攻讀碩士學位期間學術(shù)成果67-68
• 致謝68-69

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