鋰離子電池是21世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ幕瘜W(xué)電源,目前商業(yè)化鋰離子電池負(fù)極材料普遍采用石墨類碳材料,該類材料的極限儲鋰容量僅有372 m Ah/g,不能滿足高性能鋰離子電池發(fā)展的需求。硅負(fù)極材料由于理論容量高(高達(dá)4200 m Ah/g,是當(dāng)前商用石墨負(fù)極的十倍以上)、放電電位低、儲量豐富的優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的鋰離子電池負(fù)極材料之一。但作為鋰離子電池負(fù)極材料,硅在充放電循環(huán)中會產(chǎn)生高達(dá)300%的膨脹效應(yīng),且硅作為半導(dǎo)體,電子電導(dǎo)率很低,這兩大問題極大地限制了硅負(fù)極的發(fā)展。本文以光伏行業(yè)廢棄硅微粉為原料,采用有機(jī)物碳源熱裂解對硅進(jìn)行包覆制備硅基碳復(fù)合材料。通過引入具有良好機(jī)械性能的碳作為第二相來緩解硅材料的膨脹效應(yīng),并且碳也能夠增加復(fù)合材料的整體導(dǎo)電率,進(jìn)一步改善硅負(fù)極材料的電化學(xué)性能。通過對硅微粉進(jìn)行氧化熱處理制備Si/SiO_x復(fù)合物,分別采用酚醛樹脂和瀝青作為熱裂解碳源對其進(jìn)行包覆制備硅基碳復(fù)合材料,通過測試比較確定酚醛樹脂為最優(yōu)熱解碳源。以酚醛樹脂為碳前驅(qū)體,在不同溫度和加熱速度下制備了硅基碳復(fù)合負(fù)極材料,并對其進(jìn)行電化學(xué)測試,通過比較測試確定最佳制備工藝:熱解溫度為850℃,加熱速率為5℃/min,熱解時間為120min,在此條件下制備了硅碳復(fù)合負(fù)極材料并進(jìn)行電化學(xué)測試,首次容量能達(dá)到1135 m Ah/g,在100個循環(huán)后,負(fù)極材料的容量為816 m Ah/g,容量保持率達(dá)到了71.9%。為了進(jìn)一步增強(qiáng)負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性,以上述制備的酚醛樹脂包覆硅基碳負(fù)極材料為基礎(chǔ),再一次使用瀝青進(jìn)行有機(jī)碳包覆,制備二次碳包覆的硅基碳復(fù)合負(fù)極材料。經(jīng)過瀝青二次包覆制備的負(fù)極材料的首次容量能達(dá)到1180 m Ah/g,在150個循環(huán)后,負(fù)極材料的容量為950 m Ah/g,容量保持率達(dá)到了80.5%,瀝青二次包覆可有效增強(qiáng)負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM912
【部分圖文】：

圖 1-1 a）全球鋰電池產(chǎn)量；b）2018-2022 年我國鋰電池行業(yè)預(yù)計銷售收入隨著新材料的開發(fā)，鋰電池需求重心正處于由消費(fèi)類電子產(chǎn)品的小電池市場向電動交通工具的動力電池市場轉(zhuǎn)移的發(fā)展階段，同時工業(yè)和儲能市場也開始啟動。其中電動交通工具以電動汽車和電動自行車為代表，工業(yè)和儲能市場主要以移動通信基站電源市場為代表。電動交通工具市場對鋰電池的需求呈現(xiàn)出高速增長的態(tài)勢，未來 5 年電動汽車市場對鋰電池需求將大幅爆發(fā)。這些領(lǐng)域內(nèi)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模將在未來幾年保持成倍的增長趨勢，將刺激鋰離子電池需求。預(yù)計未來幾年，鋰電池行業(yè)的市場容量將保持穩(wěn)定的增長，到 2022 年我國鋰電池行業(yè)的銷售收入將達(dá) 2129 億元[13]。1.2.3 鋰離子電池結(jié)構(gòu)及原理鋰離子電池是一種鋰離子濃差電池，依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間反復(fù)移動來工作，主要由正極、負(fù)極、電解液和隔膜等部分組成。正極和負(fù)極材料是鋰電池重要的供能部分，是鋰離子嵌入和脫出的載體，主要由活性物質(zhì)和導(dǎo)電骨架組成，電極中的活性物質(zhì)是整個鋰離子電池中最重要的部分，活性物質(zhì)的性質(zhì)和含量決定了鋰離子電池的容量和循環(huán)穩(wěn)定性[14]。目前商用鋰離子電池的正極材料大多是

所以隔膜要對電解液擁有較好的浸潤性且不能與電解液要具有很好的鋰離子透過性。隔膜是直接與電解液接觸的，電解液中極性較強(qiáng)的有機(jī)物，所以隔膜還必須具有耐腐蝕和化學(xué)穩(wěn)定性。目前用較多的是高強(qiáng)度薄膜化的聚烯烴多孔膜，這類薄膜具有大量曲折能夠保證電解質(zhì)離子自由通過形成充放電回路，而在電池過度充電或，隔膜通過閉孔功能將電池的正極和負(fù)極分開以防止其直接接觸而短電流傳導(dǎo)，防止電池過熱甚至爆炸的作用[15]。離子電池是通過鋰離子在正極材料和負(fù)極材料之間進(jìn)行嵌入和脫出放電。鋰離子電池充電時，鋰離子和電子從正極含鋰活性物質(zhì)中脫出電解液和隔膜嵌入負(fù)極材料中，與負(fù)極材料發(fā)生鋰合金化反應(yīng)，此時狀態(tài)；當(dāng)電池放電時，負(fù)極材料發(fā)生去合金化反應(yīng)，鋰離子從負(fù)極材過電解液和隔膜再次嵌入正極材料中[16]。鋰離子從正極脫出嵌入負(fù)極脫出再次嵌入正極，形成一個充放電循環(huán)。以商業(yè)化的鋰離子電池為墨，正極為鈷酸鋰材料，圖 1-2 是鋰離子電池的充放電循環(huán)示意圖：

Li 與 Si 可以形成 Li12Si7、Li7Si其中的最高含鋰相為 Li22Si5，對應(yīng)的硅作為儲鋰0mAh/g，是商用石墨負(fù)極材料理論容量（372m國斯坦福大學(xué)的 Cui 課題組研究了 Si 的電化學(xué)鋰線。該研究發(fā)現(xiàn)硅在高溫下（450℃）嵌鋰和脫的合金化和去合金化過程是完全可逆的，在充同的相，隨著 Li 含量的增加，其合金平臺電壓逐大值 4.4 時，生成的硅鋰合金為 Li22Si5，電壓達(dá)到最是截然不同的情況。硅的首次放電（嵌鋰）曲線著晶態(tài)硅向無定形的鋰硅合金的相轉(zhuǎn)變（圖 1-3的 LixSi 相，其中 x 隨著儲 Li 容量增加而增大75 個鋰原子，Si 鋰化的最終產(chǎn)物是 Li15Si4，對圖所示，黑色的曲線代表硅在 450℃高溫時的理室溫下硅合金化/去合金化的理論電壓曲線[35]。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 孫威;鋰離子電池硅碳復(fù)合負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與電化學(xué)性能[D];華南理工大學(xué);2017年

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前7條

1 韻勤柏;高容量型鋰二次電池負(fù)極材料與電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備[D];清華大學(xué);2016年

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3 李碩;硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備及其電化學(xué)性能研究[D];清華大學(xué);2014年

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6 程曉燕;鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備與性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

7 楊湛林;鋰離子電池硅碳復(fù)合材料的制備及改性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

本文編號：2865961