【摘要】：電動汽車的發(fā)展迫切需要鋰離子電池取得突破性的進展。硅基負(fù)極材料因其具有較高的理論容量被寄予厚望。近年來為了更好的和高容量的正極材料相匹配,在石墨負(fù)極材料中逐漸引入一定含量的硅材料。但當(dāng)前商業(yè)化的硅碳負(fù)極材料中硅含量較低導(dǎo)致其比容量仍然低于500 mAh g~(-1)。較高含量的硅碳復(fù)合材料仍然遭受巨大的體積膨脹問題,使得硅材料粉化,導(dǎo)致材料的導(dǎo)電性差,循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能快速衰減。為解決這一問題本文通過制備卵黃-殼結(jié)構(gòu)的硅碳復(fù)合材料、類石榴結(jié)構(gòu)的二氧化硅/生物質(zhì)炭復(fù)合材料來緩解硅的體積膨脹問題。同時在電解液中引入電解液添加劑以促進穩(wěn)定的固體電解質(zhì)膜的形成。使用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射、氮氣吸脫附測試等表征手段來探究復(fù)合材料的形貌、結(jié)構(gòu)特征以及孔隙率等。通過恒電流充放電測試來研究卵黃-殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計、氮摻雜碳、孔隙率等對硅基碳復(fù)合材料的電化學(xué)性能的影響。研究內(nèi)容如下:(1)Si/Void/C復(fù)合材料以100 nm左右的硅粉為原材料,通過簡單的溶膠-凝膠法在堿性條件下水解硅酸四乙酯包覆一層二氧化硅在硅納米顆粒的表面作為中空層的模板,然后水熱碳化葡萄糖包覆一層無定形碳在Si/SiO_2表面,最后刻蝕掉二氧化硅層即可得到卵黃-殼結(jié)構(gòu)的Si/Void/C復(fù)合材料。本章研究了中空結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑以及電解液添加劑對Si/Void/C復(fù)合材料電化學(xué)性能的影響。研究表明卵黃-殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及電解液添加劑的使用極大的提高了硅納米顆粒的電化學(xué)性能,其首次庫倫效率可達到82%以上,在0.2 C下循環(huán)200次后,其比容量仍能保持在1594.5 mAh g~(-1)。(2)Si@Void@NC復(fù)合材料以50 nm左右的硅粉為原材料,同樣通過水解硅酸四乙酯包覆二氧化硅層作為模板,然后在堿性條件下使鹽酸多巴胺攪拌自聚合來包覆一層氮摻雜碳層以此進一步提高硅納米顆粒的導(dǎo)電性。最后通過去模板得到Si@Void@NC復(fù)合材料。本章研究了中空結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑以及不同合成方法對復(fù)合材料電化學(xué)性能的影響。研究表明中空結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑可有效緩解硅的體積膨脹,保證良好的循環(huán)穩(wěn)定性。同時研究表明通過簡單的自聚合合成的Si@Void@NC比水熱法合成的Si/Void/NC展現(xiàn)出更好的導(dǎo)電性和更高的循環(huán)比容量。Si@Void@NC復(fù)合材料首次庫倫效率可達到79.29%,在0.2 C下循環(huán)50圈后比容量仍然能夠達到2331.4 mAh g~(-1)。(3)SiO_2@MNPC復(fù)合材料以雞蛋為碳源,加入水和乙醇稀釋并攪拌均勻,再用濃氨水調(diào)節(jié)溶液pH后滴加硅酸四乙酯,直接在雞蛋溶液中水解生成二氧化硅。最后經(jīng)過冷凍干燥,高溫煅燒后,選擇性刻蝕即可得到SiO_2@MNPC復(fù)合材料。本章研究了氮磷摻雜以及孔隙率對復(fù)合材料循環(huán)性能的影響。研究表明,這種類石榴結(jié)構(gòu)的三維SiO_2@NPC復(fù)合材料通過選擇性刻蝕以后可提高孔隙率從而增強其電化學(xué)性能。SiO_2@MNPC復(fù)合材料在500 mA g~(-1)的電流密度下循環(huán)1000次后比容量仍然能夠達到373 mAh g~(-1)。
【圖文】：

江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文丙烯酯（PC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）等，，通常取其中的 2~3 種配置。電解液添加劑主要分為成膜添加劑、高/低溫添加劑、倍率添加劑、過充添加劑、阻燃添加劑等。電解液添加劑的引入極大的提高了鋰離子電池的電化學(xué)性能。鋰離子電池在工作時主要是依靠鋰離子在正負(fù)極之間來回嵌入脫出。如圖 1.2 所示，正負(fù)極材料分別為典型的層狀 LiCoO2和石墨。在放電時鋰離子從已經(jīng)嵌鋰的LixC6中脫出進入電解液并穿過隔膜到達正極再次嵌入到 LiCoO2層狀結(jié)構(gòu)中，與此同時電子從外電路有負(fù)極轉(zhuǎn)移到正極。充電過程則與放電過程完全相反。其反應(yīng)過程可用下式表達：LiCoO26C Li1 xCoO2LixC6（1.1）
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB33;TM912

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本文編號：2603891