本文關(guān)鍵詞：硅負(fù)極活性材料的制備及其性能分析

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【摘要】：隨著鋰離子電池在移動電源、電動汽車、智能電網(wǎng)等行業(yè)中的應(yīng)用越加廣泛,業(yè)界對電化學(xué)性能優(yōu)異的電極活性材料的需求也日益迫切。硅作為負(fù)極活性材料時,其理論比容量超過4000 mAh/g,遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過傳統(tǒng)石墨負(fù)極,因此受到了許多研究者的關(guān)注。然而有兩個主要因素制約了硅負(fù)極的發(fā)展:一,硅是一種半導(dǎo)體材料,導(dǎo)電性能較差;二,硅在充放電過程中產(chǎn)生近300%的體積變化,會嚴(yán)重破壞電極結(jié)構(gòu)。為了減小體積變化對硅負(fù)極的破壞,本文從制備硅納米結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),采取了低溫液相法、二氧化硅還原法和酸堿刻蝕法等三種速度快、成本低、工藝簡單的方法,分別制得了硅納米顆粒、硅納米球、硅微/納米碎片等鋰離子電池負(fù)極活性材料,并對這幾種材料進(jìn)行了合成或反應(yīng)機理探討、物理性質(zhì)表征和電化學(xué)性能測試。(1)改良了Kaulzarich法,用鎂還原四氯化硅制備出硅納米顆粒前驅(qū)體,再用胺或酰胺鈍化前驅(qū)體,最終得到了平均粒徑在50 nm以下還原性極高的硅納米顆粒。根據(jù)鈍化劑的選擇,所得材料的微觀形貌會有較大的區(qū)別,其電化學(xué)性能也完全不同。當(dāng)以N-甲基吡咯烷酮為鈍化劑時,所得硅納米顆粒呈現(xiàn)出葡萄串的形貌;其在200 mA/g的電流密度下,首次放電容量達(dá)到了1688 mAh/g,十五次循環(huán)后衰減到1070 mAh/g,庫倫效率除首次63%外均在90%以上。(2)用不同的軟模板水解正硅酸乙酯制備出二氧化硅納米球,再用鎂在700°C下高溫還原二氧化硅,最終得到了粒徑均勻的硅納米球。當(dāng)使用二茂鐵為軟模板時,所得硅納米球擁有疏松的結(jié)構(gòu),而且有部分納米球發(fā)生破碎;其在200 mA/g的電流密度下,首次放電容量達(dá)到了1400 mAh/g,十五次循環(huán)后衰減到1124mAh/g,庫倫效率除首次71.8%外均在80%左右。另外,該方法所得硅納米球每一次循環(huán)時放電容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上一次循環(huán)時的充電容量。(3)用各向同性刻蝕的氫氟酸/硝酸混酸刻蝕液和各向異性刻蝕的氫氧化鉀依次對微米級粗硅進(jìn)行刻蝕,最終得到了粒徑分布在100 nm至1μm的硅微/納米碎片。根據(jù)酸堿刻蝕的先后,所得碎片的微觀形貌完全不一樣。當(dāng)先酸刻蝕后堿刻蝕時,所得硅微/納米碎片呈現(xiàn)出棱角分明的狀態(tài),首次放電容量2093 mAh/g,五次循環(huán)后即衰減到1019 mAh/g,庫倫效率不到75%。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池硅負(fù)極 硅納米顆粒 硅納米球 格氏反應(yīng) 鎂熱還原
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ127.2;TM912
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-31
• 1.1 硅負(fù)極的機理10-16
• 1.1.1 鋰硅電化學(xué)合金11-14
• 1.1.2 大體積硅負(fù)極的失效機理14-16
• 1.2 硅負(fù)極循環(huán)壽命的改進(jìn)方法16-29
• 1.2.1 活性/惰性納米復(fù)合材料17-21
• 1.2.1.1 球磨法制備硅/碳復(fù)合材料19-20
• 1.2.1.2 化學(xué)氣相沉積或高溫?zé)峤庵苽涔?碳復(fù)合材料20
• 1.2.1.3 硅/碳納米管復(fù)合材料20-21
• 1.2.2 納米結(jié)構(gòu)21-28
• 1.2.2.1 二維硅納米薄膜負(fù)極22-23
• 1.2.2.2 一維硅納米線負(fù)極23-25
• 1.2.2.3 三維硅納米結(jié)構(gòu)負(fù)極25-28
• 1.2.3 粘合劑對于硅負(fù)極電化學(xué)性能的作用28-29
• 1.3 選題依據(jù)及主要工作29-31
• 第二章 實驗方法31-37
• 2.1 實驗所用試劑和儀器設(shè)備31-32
• 2.2 低溫溶液法制備硅納米顆粒32-33
• 2.3 二氧化硅還原法制備硅納米球33
• 2.4 酸堿刻蝕法制備微/納米硅33-34
• 2.5 材料的物理性質(zhì)表征34-35
• 2.5.1 X射線衍射分析34
• 2.5.2 傅里葉變換紅外光譜分析34
• 2.5.3 掃描電子顯微鏡分析34-35
• 2.5.4 透射電子顯微鏡分析35
• 2.6 材料的電化學(xué)性能表征35-37
• 2.6.1 電極制作35
• 2.6.2 電池組裝35-36
• 2.6.3 充放電循環(huán)測試36-37
• 第三章 低溫液相法制備硅納米顆粒37-59
• 3.1 合成機理探究37-41
• 3.2 硅納米顆粒的X射線衍射分析41-45
• 3.3 硅納米顆粒的傅里葉變換紅外光譜分析45-47
• 3.4 硅納米顆粒的掃描電子顯微鏡分析47-52
• 3.5 硅納米顆粒的電化學(xué)性能52-57
• 3.6 本章小結(jié)57-59
• 第四章 二氧化硅還原法制備硅納米球59-74
• 4.1 合成機理59-60
• 4.2 硅納米球的X射線衍射分析60-62
• 4.3 硅納米球的掃描電子顯微鏡分析62-66
• 4.4 硅納米球的透射電子顯微鏡分析66-68
• 4.5 硅納米球的電化學(xué)性能分析68-72
• 4.6 本章小結(jié)72-74
• 第五章 酸堿刻蝕法制備微/納米硅74-81
• 5.1 反應(yīng)機理74
• 5.2 微/納米硅的X射線衍射分析74-75
• 5.3 微/納米硅的掃描電子顯微鏡分析75-78
• 5.4 微/納米硅的電化學(xué)性能分析78-80
• 5.5 本章小結(jié)80-81
• 第六章 結(jié)論與展望81-84
• 6.1 結(jié)論81-82
• 6.2 展望82-84
• 致謝84-85
• 參考文獻(xiàn)85-93
• 攻碩期間取得的研究成果93-94

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6 耿，

本文編號：883291