本文關鍵詞：鋰離子電池硅基負極材料的制備及電化學性能

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【摘要】：硅材料具有最高的理論比容量(4200 mAh/g)和適中的電位平臺(~0.4 V vs Li/Li+),具有獨特的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢璨牧显诔浞烹姷倪^程中產生劇烈的體積效應(300%)和低的本征導電率是制約硅負極材料發(fā)展和商業(yè)化的主要因素。本文從優(yōu)化硅電極制備工藝和合成硅復合材料兩方面來改善硅負極鋰離子電池電化學性能。優(yōu)化硅電極制備工藝,研究了導電劑、粘結劑和電解液添加劑的種類及含量對鋰離子電池硅電極電化學性能的影響,通過綜合性能評估和機理分析確定與硅材料匹配最佳的工藝條件。結果表明,采用15 wt%的導電劑SuperP與15 wt%的粘合劑CMC制備的硅電極首次充電比容量為2971.3 mAh/g,首次庫倫效率為80.5%,循環(huán)50次后可逆比容量保持在1143.8 mAh/g。在上述優(yōu)化基礎上,當FEC優(yōu)化后的添加量為10 wt%時,在1 A/g下經100次充放電循環(huán)后,硅電極可逆比容量為842.6 mAh g-1。其次,采用電子束沉積法制備硅薄膜電極,通過控制沉積時間來改變沉積厚度,研究了硅薄膜的晶態(tài)、厚度對其電化學性能的影響。結果表明,沉積在銅箔上的硅薄膜是非晶狀態(tài),其電化學行為與晶態(tài)硅的基本一致。當沉積的硅薄膜的厚度為270 nm時,電池呈現出相對較穩(wěn)定的循環(huán)性能。在1 C倍率下充放電循環(huán)時,首次可逆比容量為3215.0 mAh g-1,循環(huán)50次后,容量保持在905.0 mAh g-1。設計制作了用于研究光力學-電化學測試的模擬電池,已獲得其硅電極在充放電過程中的形變初步信息。采用化學氧化還原法原位聚合得到包覆型硅/聚苯胺復合材料。研究了酸摻雜的聚苯胺在電解液體系中的電化學行為,聚苯胺在復合材料的含量對硅基材料結構和性能的影響,結果說明,酸摻雜的聚苯胺在鋰電的電解液體系中仍存在一定電導率,且聚苯胺的存在并不影響硅的電化學行為并可以一定程度上提高電極的導電率。聚苯胺包覆納米硅后形成的核殼結構可有效地緩解硅在脫/嵌鋰過程中的體積膨脹效應,提高了硅基材料的電化學性能。當聚苯胺含量為12.3 wt%,在2 A g-1下充放電循環(huán)時,硅/聚苯胺電極的首次比容量保持在1065.1 mAh g-1,50次循環(huán)后比容量保持在766.6 mAh g-1,保持率為首次比容量的72%。將包覆在納米硅的聚苯胺為碳源來制備硅/碳復合材料,研究了以聚苯胺為碳源對鋰離子電池硅基負極的電化學性能影響。結果表明,硅/聚苯胺復合材料經過高溫分解后形成硅/碳復合材料,并保持了原有的核殼結構在電流密度為1 A g-1下循環(huán)50次后,可逆比容量仍保持在672.2 mAh g-1。
【關鍵詞】：硅負極 鋰離子電池 制備工藝 包覆型硅/聚苯胺復合材料 硅/碳復合材料
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB332;TM912
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 緒論12-23
• 1.1 引言12
• 1.2 鋰離子電池的原理12-13
• 1.3 鋰離子電池負極材料研究現狀13-16
• 1.3.1 碳類材料14-15
• 1.3.1.1 石墨14
• 1.3.1.2 軟碳14
• 1.3.1.3 硬碳14-15
• 1.3.2 金屬及合金類材料15-16
• 1.3.2.1 金屬氧化物15
• 1.3.2.2 鋰金屬氮化物15-16
• 1.4 硅基負極材料的研究概述16-20
• 1.4.1 硅負極材料研究意義16
• 1.4.2 硅負極材料的儲能機理16-17
• 1.4.3 硅負極材料面臨的問題及解決方案17-20
• 1.4.3.1 納米結構的硅材料17
• 1.4.3.2 制備工藝的優(yōu)化17-19
• 1.4.3.3 硅基復合材料19-20
• 1.5 導電聚苯胺的導電機理20-22
• 1.6 本論文的主要研究內容22-23
• 第二章 實驗方法23-28
• 2.1 主要實驗試劑及儀器23-24
• 2.1.1 實驗試劑23
• 2.1.2 實驗儀器23-24
• 2.2 材料的物理表征24-26
• 2.2.1 傅里葉變換紅外光譜24
• 2.2.2 X射線衍射24-25
• 2.2.3 熱重-差熱分析25
• 2.2.4 掃描電鏡顯微鏡25
• 2.2.5 透射電子顯微鏡25
• 2.2.6 比表面積分析25
• 2.2.7 電阻率分析25-26
• 2.2.8 X射線光電子能譜（XPS）分析26
• 2.2.9 激光顯微拉曼光譜分析26
• 2.3 材料的電化學性能表征26-28
• 2.3.1 電極制備及電池組裝26
• 2.3.2 循環(huán)伏安測試26-27
• 2.3.3 充放電測試27
• 2.3.4 交流阻抗法27-28
• 第三章 鋰離子電池硅負極的制備工藝及電化學性能28-60
• 3.1 導電劑對鋰離子電池硅負極性能的影響28-34
• 3.1.1 引言28
• 3.1.2 電極制備28
• 3.1.3 不同導電劑的物理表征28-30
• 3.1.4 電化學性能表征30-33
• 3.1.4.1 循環(huán)伏安分析30
• 3.1.4.2 恒流充放電分析30-33
• 3.1.4.3 交流阻抗分析33
• 3.1.5 導電劑Super p的含量對硅電極性能的影響33-34
• 3.2 粘結劑對鋰離子電池硅負極性能的影響34-42
• 3.2.0 引言34-35
• 3.2.1 電極制備35
• 3.2.2 納米硅的物理特性表征35-37
• 3.2.3 電化學性能的表征37-41
• 3.2.3.1 循環(huán)伏安分析37-38
• 3.2.3.2 恒流充放電分析38-39
• 3.2.3.3 倍率性能分析39-40
• 3.2.3.4 電極循環(huán)后的SEM分析40-41
• 3.2.4 粘結劑CMC的含量對硅電極的影響41-42
• 3.3 電解液添加劑對鋰離子電池硅負極性能的影響42-50
• 3.3.1 引言42-43
• 3.3.2 電解液配制43
• 3.3.3 電極的制備43
• 3.3.4 電化學性能的表征43-47
• 3.3.4.1 循環(huán)伏安分析43-44
• 3.3.4.2 恒流充放電曲線分析44-45
• 3.3.4.3 掃描電鏡分析45-46
• 3.3.4.4 交流阻抗分析46-47
• 3.3.5 FEC反應機理研究47-48
• 3.3.6 FEC的含量對硅電極電化學性能的影響48-50
• 3.4 電子束沉積制備硅薄膜的工藝研究50-56
• 3.4.1 引言50
• 3.4.2 電極制備50
• 3.4.3 硅薄膜的物理性能表征50-52
• 3.4.3.1 XRD分析50-51
• 3.4.3.2 拉曼光譜分析51
• 3.4.3.3 SEM分析51-52
• 3.4.4 電化學性能的表征52-54
• 3.4.4.1 循環(huán)伏安分析52-53
• 3.4.4.2 恒流循環(huán)分析53-54
• 3.4.5 硅薄膜的厚度對其電化學性能的影響54-56
• 3.4.5.1 不同厚度硅薄膜的SEM圖54-55
• 3.4.5.2 循環(huán)性能分析55-56
• 3.5 模擬電池設計56-57
• 3.6 模擬電池的電化學性能57-58
• 3.7 本章小結58-60
• 第四章 包覆型硅/聚苯胺復合材料的合成及其性能表征60-77
• 4.1 引言60
• 4.2 包覆型硅/聚苯胺復合材料的制備60
• 4.3 電極制備60
• 4.4 聚苯胺在鋰離子電解液中的物理化學行為60-64
• 4.4.1 電導率的測試61
• 4.4.2 傅里葉紅外分析61-62
• 4.4.3 X射線光能譜分析62-63
• 4.4.4 循環(huán)伏安分析63-64
• 4.5 硅/聚苯胺復合材料的物理表征64-75
• 4.5.1 X射線衍射分析64-65
• 4.5.2 傅里葉紅外分析65-66
• 4.5.3 元素分布分析66-67
• 4.5.4 掃描電鏡分析67
• 4.5.5 透鏡電子顯微鏡分析67-68
• 4.5.6 熱重分析68-69
• 4.5.7 電化學性能表征69-75
• 4.5.7.1 循環(huán)伏安曲線分析69-70
• 4.5.7.2 首次充放電曲線70-72
• 4.5.7.3 倍率循環(huán)性能分析72-73
• 4.5.7.4 高倍率性能的分析73-74
• 4.5.7.5 交流阻抗分析74-75
• 4.6 本章小結75-77
• 第五章 硅/碳復合材料的合成及其性能表征77-89
• 5.1 引言77
• 5.2 硅/碳復合材料的制備77
• 5.3 電極的制備77-78
• 5.4 硅/碳復合材料的物理表征78-83
• 5.4.1 XRD分析78
• 5.4.2 傅里葉紅外分析78-79
• 5.4.3 EDS分析79-80
• 5.4.4 拉曼光譜分析80-81
• 5.4.5 SEM分析81-82
• 5.4.6 TEM分析82
• 5.4.7 熱重分析82-83
• 5.5 電化學性能表征83-87
• 5.5.1 循環(huán)伏安分析83-84
• 5.5.2 首次充放電曲線與循環(huán)性能84-86
• 5.5.6 倍率性能86-87
• 5.5.7 阻抗分析87
• 5.6 本章小結87-89
• 第六章 結論89-91
• 參考文獻91-98
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明98-99
• 致謝99-100

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