本文關(guān)鍵詞：硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備及電化學(xué)研究

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【摘要】：當(dāng)代,鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于各種先進(jìn)科技中,成為最具前景的新型能源。然而,目前商用的鋰離子電池石墨類負(fù)極材料的理論容量只有372 mAh/g。為了滿足科技發(fā)展的需求,廣大學(xué)者們正致力于研發(fā)具有更高能量密度的新型材料來取代石墨類材料。硅碳復(fù)合材料結(jié)合了硅系材料和碳基材料雙方的優(yōu)勢(shì),已成為新型負(fù)極材料的理想選擇。其中,硅系材料提供了高能量密度,碳基材料提供了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性和額外的儲(chǔ)鋰空間。本文使用硅(Si)和二氧化硅(SiO2)兩種硅系材料與聚丙烯腈(PAN)復(fù)合,利用簡(jiǎn)單的靜電紡絲法和后續(xù)的預(yù)氧化、炭化處理,制備了納米Si/C和SiO2/C復(fù)合材料,考察了不同硅系材料及其含量對(duì)材料結(jié)構(gòu)形貌及電化學(xué)性能的影響。以納米Si與PAN為原料,制備了納米Si含量為15 wt.%的Si/C復(fù)合物。納米Si顆粒可均勻地分布在三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。在50 mA/g的電流密度下,10次循環(huán)后表現(xiàn)出627.6 mAh/g的可逆比容量,較純PAN纖維提高了~160 mAh/g,并且,該復(fù)合材料在100圈的容量保持率為92.4%。通過倍率性能分析得出:小電流密度下,納米Si的添加提高了復(fù)合材料的比容量,但在大電流密度下,納米Si的添加則會(huì)降低復(fù)合材料的倍率性能。本實(shí)驗(yàn)還采用了不同含量的納米SiO2與PAN制備了一系列SiO2/C復(fù)合材料,得出了當(dāng)SiO2對(duì)于PAN的添加量為15 wt.%時(shí),SiO2/C復(fù)合物中的實(shí)際SiO2含量為23.6 wt.%,此時(shí),SiO2顆粒在納米纖維中具有最好的結(jié)構(gòu)分布。該復(fù)合材料在50 mA/g的電流密度下循環(huán)100次后,可逆比容量為658 m Ah/g,并且在500、1000 m A/g的電流密度下分別保持了451、356 mAh/g的高可逆比容量,表現(xiàn)出了較高的比容量、良好的循環(huán)性能和倍率性能。本研究還根據(jù)不同含量的SiO2分析了SiO2/C負(fù)極電極材料與鋰離子的反應(yīng)機(jī)理。在SiO2與鋰離子的兩個(gè)平行反應(yīng)中,當(dāng)SiO2顆粒較小時(shí)易生成可逆的Li2Si2O5,而當(dāng)SiO2顆粒較大時(shí)易生成不可逆的Li4SiO4。因此當(dāng)Si O2的含量增大時(shí),SiO2容易聚集成大尺寸的團(tuán)聚顆粒,加速了Li4SiO4的生成,增大了不可逆容量。
【關(guān)鍵詞】：硅碳復(fù)合 納米纖維 靜電紡絲 鋰離子電池
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB332;TM912
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 文獻(xiàn)綜述10-23
• 1.1 引言10
• 1.2 鋰離子電池概述10-13
• 1.2.1 鋰離子電池的發(fā)展簡(jiǎn)史10-12
• 1.2.2 鋰離子電池結(jié)構(gòu)及工作原理12-13
• 1.3 鋰離子電池負(fù)極材料13-19
• 1.3.1 碳基負(fù)極材料14-15
• 1.3.2 非碳基負(fù)極材料15-19
• 1.4 硅碳復(fù)合材料19-21
• 1.4.1 硅碳復(fù)合材料的提出19
• 1.4.2 硅碳復(fù)合材料的分類及研究現(xiàn)狀19-20
• 1.4.3 硅碳復(fù)合材料存在的問題20-21
• 1.5 選題的目的和內(nèi)容21-23
• 第二章 實(shí)驗(yàn)藥品、儀器和方法23-31
• 2.1 主要原料和化學(xué)試劑23-24
• 2.1.1 主要原料23
• 2.1.2 主要化學(xué)試劑23-24
• 2.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備24-25
• 2.3 材料的制備25-27
• 2.3.1 靜電紡絲法原理及裝置25-26
• 2.3.2 預(yù)氧化及炭化工藝26-27
• 2.4 材料的表征分析27-29
• 2.4.1 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡分析27
• 2.4.2 高分辨透射電子顯微鏡分析27-28
• 2.4.3 X射線衍射分析28
• 2.4.4 熱重分析28
• 2.4.5 電子導(dǎo)電率的測(cè)定28-29
• 2.5 電池的組裝與測(cè)試29-31
• 2.5.1 電極片的制備29
• 2.5.2 扣式電池的組裝29-30
• 2.5.3 電化學(xué)測(cè)試30-31
• 第三章 硅/碳復(fù)合材料的制備31-42
• 3.1 引言31
• 3.2 熱解碳源及硅材料的選擇31-33
• 3.2.1 熱解碳源的選擇31-33
• 3.2.2 硅材料的選擇33
• 3.3 硅/碳復(fù)合及純碳基材料的制備33-34
• 3.4 硅/碳復(fù)合及純碳基材料的結(jié)構(gòu)性能34-37
• 3.4.1 掃描電子顯微鏡觀察34-35
• 3.4.2 透射電子顯微鏡觀察35-36
• 3.4.3 X射線衍射分析36-37
• 3.5 硅/碳復(fù)合及純碳基材料的電化學(xué)性能37-40
• 3.5.1 恒流充放電測(cè)試37-39
• 3.5.2 倍率性能測(cè)試39
• 3.5.3 循環(huán)性能測(cè)試39-40
• 3.6 章節(jié)小結(jié)40-42
• 第四章 二氧化硅/碳復(fù)合材料的制備及儲(chǔ)能機(jī)理研究42-56
• 4.1 引言42
• 4.2 二氧化硅/碳復(fù)合材料的制備42-43
• 4.3 二氧化硅含量對(duì)二氧化硅/碳復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能的影響43-48
• 4.3.1 掃描電子顯微鏡觀察43-45
• 4.3.2 透射電子顯微鏡觀察45-46
• 4.3.3 X射線衍射分析46-47
• 4.3.4 空氣中的熱重分析47
• 4.3.5 電子導(dǎo)電率的測(cè)定47-48
• 4.4 二氧化硅含量對(duì)二氧化硅/碳復(fù)合材料電化學(xué)性能的影響48-52
• 4.4.1 恒流充放電測(cè)試48-50
• 4.4.2 倍率性能測(cè)試50-51
• 4.4.3 循環(huán)性能測(cè)試51-52
• 4.5 二氧化硅/碳復(fù)合電極材料的反應(yīng)機(jī)理研究52-54
• 4.6 章節(jié)小結(jié)54-56
• 第五章 結(jié)論及工作展望56-58
• 5.1 結(jié)論56-57
• 5.2 工作展望57-58
• 參考文獻(xiàn)58-67
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明67-68
• 致謝68-69

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