硅是目前已知容量最大的鋰離子電池負(fù)極材料,其理論比容量可以達(dá)4200 mAh·g^-1。除此之外,硅還具有相對(duì)較低的脫嵌鋰電位（<0.5 V vs Li/Li⁺）、對(duì)環(huán)境友好、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)。因此,硅基材料成為最有前景的下一代高能量密度鋰離子電池負(fù)極材料。但是,硅在充放電過(guò)程中巨大的體積膨脹/收縮（約為300%）,會(huì)導(dǎo)致活性材料碎裂、電極結(jié)構(gòu)破壞以及不穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面等問(wèn)題,嚴(yán)重制約了硅基負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用。利用靜電紡絲技術(shù)制備硅碳復(fù)合材料不僅能有效地緩解硅在充放電過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化問(wèn)題,同時(shí),碳纖維也能夠提高電極的導(dǎo)電性。本文從電極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度開(kāi)展工作,利用靜電紡絲技術(shù)構(gòu)筑了一維硅碳復(fù)合纖維、碳包覆的硅碳復(fù)合纖維以及具有多孔結(jié)構(gòu)的碳包覆的硅碳復(fù)合纖維材料,目的在于研制出高容量、長(zhǎng)壽命的硅基鋰離子電池負(fù)極材料,主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:1、將不同尺寸納米硅（10 nm、20 nm、30 nm、80 nm）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）進(jìn)行靜電紡絲,通過(guò)高溫煅燒制備了硅碳復(fù)合纖維材料。研究了硅顆粒尺寸對(duì)硅碳復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)、形貌、以及電化學(xué)... 

【文章來(lái)源】：河南大學(xué)河南省

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖

LiNiO2、LiFePO4與 LiCoO2。其中 LiNiO2和 LiCoO2為層狀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，而 LiFePO4為橄欖石型結(jié)構(gòu)。負(fù)極材料則有石墨、鈦酸鋰、金屬氧化物組成。通常，正極材料涂覆在鋁箔上，而負(fù)極材料涂覆使用聚丙烯和聚乙烯，或者二者的復(fù)合物，隔膜起到隔離正負(fù)極、時(shí)，隔膜是一種選擇性透過(guò)性膜，還起到能夠允許鋰離子自由通過(guò)。常用的鋰離子電解液通常是包含鋰的有機(jī)溶劑(LiPF6等)。一般使乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)。有時(shí)，電解加劑，比如：氟代碳酸乙烯酯(FEC)等。3 鋰離子電池工作原理

鋰離子最多能夠與硅形成 Li15Si4，理論比容量為 3579 mAh·g-1。圖1-3 為常溫下與 450oC 下的不同合金化曲線[25]。可以看出，在高溫下，硅在嵌鋰時(shí)經(jīng)歷了一系列的相轉(zhuǎn)變，存在多個(gè)電壓平臺(tái)[26,27]，與 1-3 中黑色相對(duì)應(yīng)。而在常溫下只經(jīng)歷一個(gè)簡(jiǎn)單的相轉(zhuǎn)變過(guò)程，對(duì)應(yīng)于圖 1-3 中綠色和紅色。圖 1-3 硅和鋰在常溫與 450 °C 高溫下的電化學(xué)合金曲線1.4.2 硅基材料作為鋰離子電池負(fù)極材料的優(yōu)勢(shì)在自然界中，硅的儲(chǔ)量非常豐富，在地殼中的含量約為 26.4%，它的含量?jī)H次于氧，同時(shí)硅的價(jià)格也很便宜，當(dāng)然硅也是種綠色環(huán)保的元素。更重要的是，合金類的材料擁有較高的理論比容量。原因是因?yàn)樗鼈冊(cè)诔浞烹娺^(guò)程中可以容納更多的鋰離子脫出與嵌

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Nitrogen-and Oxygen-Containing Porous Ultrafine Carbon Nanofiber:A Highly Flexible Electrode Material for Supercapacitor[J]. Kai Wei,Kyu-Oh Kim,Kyung-Hun Song,Chang-Yong Kang,Jung Soon Lee,Mayakrishnan Gopiraman,Ick-Soo Kim.  Journal of Materials Science & Technology. 2017(05)
[2]鋰離子電池及其材料[J]. 鐘俊輝.  電池. 1996(02)



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