【摘要】：近年來,便攜式電子設(shè)備、電動工具以及電動汽車技術(shù)的高速發(fā)展對鋰離子電池的性能提出了更高的要求,從而激發(fā)了新一代高比容量、長循環(huán)壽命的鋰離子電池負(fù)極材料的研究。與目前商用的碳類負(fù)極材料相比,硅、鍺基負(fù)極材料具有更高的比容量與能量密度,因此被認(rèn)為是有潛力的下一代鋰離子電池負(fù)極材料。但是硅、鍺基負(fù)極材料在充放電循環(huán)過程中產(chǎn)生了巨大的體積變化,這會導(dǎo)致電極材料的粉碎以及電極導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的崩潰,從而使循環(huán)性能急劇衰減。通過構(gòu)建特定的硅、鍺基微納結(jié)構(gòu)以及與碳等材料復(fù)合等手段,能夠在一定程度上改善硅、鍺基負(fù)極材料的循環(huán)壽命。但是,目前國內(nèi)外的研究仍然沒有完全解決上述問題。因此,進(jìn)一步設(shè)計和制備硅、鍺基納米負(fù)極材料,改善鋰離子電池負(fù)極材料的充放電性能具有重要意義。 本文通過無電金屬沉積法合成了硅納米線與多孔硅顆粒,利用模板法合成了硅鍺復(fù)合材料一維納米結(jié)構(gòu)陣列,利用固相熱分解法合成了多孔鍺顆粒。在此基礎(chǔ)上,研究了上述材料作為鋰離子電池負(fù)極材料的性能,取得了以下主要創(chuàng)新成果： (1)利用無電金屬沉積的方法,以單晶硅片和冶金硅粉末為原料,大量合成了Si納米線以及多孔Si顆粒。作為鋰離子電池負(fù)極材料,上述兩種Si基材料由于具有納米線形貌/多孔性質(zhì),能夠緩解充放電過程中的體積膨脹,顯示了優(yōu)于碳材料以及Si粉體材料的充放電性能。在上述兩種材料中,Si納米線作為鋰離子電池負(fù)極材料的性能更加優(yōu)越。 (2)以ZnO納米棒陣列作為犧牲性模板,經(jīng)共濺射的方法合成了SiGe多孔納米棒陣列電極。作為鋰電池負(fù)極材料,SiGe納米棒陣列顯示了優(yōu)良的循環(huán)性能,其循環(huán)性能、倍率性能均好于平板電極以及相同方法合成的硅納米棒陣列電極。這種多孔納米棒陣列中存在的空隙,可以有效緩沖充放電過程的體積變化。而摻入Ge能夠提高其導(dǎo)電性和鋰離子遷移率,從而進(jìn)一步提高其充放電性能。 (3)利用化學(xué)氣相沉積方法,在泡沫鎳襯底上合成NixSiy納米線陣列。通過共濺射的方法,在NixSiy表面沉積一層SiGe層,得到NixSiy-SiGe核殼納米線陣列。作為鋰電池負(fù)極材料,NixSiy-SiGe核殼納米線陣列表現(xiàn)出了優(yōu)于對應(yīng)平板電極、純硅電極以及SiGe納米棒陣列電極的循環(huán)性能與倍率性能。這是由于NixSiy納米線具有良好的導(dǎo)電性并且與電極基片具有良好的結(jié)合力,且Ge的摻入能夠提高硅基材料的導(dǎo)電性和鋰離子遷移率,因此能夠進(jìn)一步提高硅基材料的充放電性能。通過改變化學(xué)氣相沉積過程中的SiH4與H2流量比,可以獲得不同組分與形貌的NixSiy納米線陣列。其中,Ni31Si12-SiGe核殼納米線陣列電極的性能最為優(yōu)越,這得益于Ni31Si12納米線陣列更好的導(dǎo)電性以及與基片更牢固的結(jié)合力。 (4)以Mg2Ge為源,在空氣中熱處理,經(jīng)過后續(xù)酸洗,合成了多孔Ge顆粒。經(jīng)乙炔裂解包碳后,得到了Ge@C多孔顆粒。這種顆粒由于具有多孔性,能夠有效的緩解充放電過程中的體積膨脹,而且碳層能夠提高導(dǎo)電性,并在充放電過程中有效緩解Ge的體積膨脹,因此能夠表現(xiàn)出優(yōu)于Ge粉體、以及商用碳材料的充放電性能。類似的方法還能被用來制備多孔Si粉等其他的多孔負(fù)極材料,提高其充放電性能。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM912;TB383.1

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：2322527