本文關(guān)鍵詞：碳化硅納米線的電化學(xué)儲能研究

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【摘要】：碳化硅(SiC)具有寬禁帶、高硬度、高熱導(dǎo)率、高擊穿場強(qiáng)、高電子遷移率、強(qiáng)抗氧化和耐腐蝕性等優(yōu)異性能,被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、機(jī)械制造、微電子等各個領(lǐng)域。一維SiC納米材料更是在力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)等方面展現(xiàn)出更多優(yōu)異的性能。本文通過改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(CVD)使用不同的硅源(單晶硅片、一氧化硅粉、二氧化硅粉、硅粉)制備出形狀各異、粗細(xì)不同碳化硅材料,并對其進(jìn)行了脫嵌鋰性能、電化學(xué)儲能研究。一直以來SiC材料被認(rèn)為是鋰離子電池的非活性材料之一,被確定作為緩沖層或骨架來提高復(fù)合物在充放電過程中的電子電導(dǎo)率。近幾年,由于納米材料的飛速發(fā)展,有人報(bào)道了SiC納米材料作為鋰離子電池材料的脫嵌鋰性能。本文通過CVD方法,使用不同的硅源(單晶硅片、一氧化硅粉、二氧化硅粉、硅粉)制備SiC納米材料,根據(jù)材料制備結(jié)果和鋰離子電池的需要,我們選擇了由硅粉作為硅源制備出生長在石墨紙基底上的珠簾狀納米線核殼結(jié)構(gòu)的碳化硅。為了對比,將這種特殊結(jié)構(gòu)的材料用氫氟酸處理后,得到生長在石墨紙上單一的碳化硅納米線(SiCNWs)。把這兩種材料同時作為電極片直接應(yīng)用于鋰離子電池。在不添加任何粘結(jié)劑和電子導(dǎo)電材料的情況下,它們展現(xiàn)出很高的比容量和很好的循環(huán)保持性。這些優(yōu)異的性能歸因于材料特殊的納米結(jié)構(gòu)有效地緩解了材料充放電過程中脫嵌鋰導(dǎo)致的體積膨脹。相比之下,珠簾狀納米線核殼結(jié)構(gòu)的SiC表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能,根據(jù)場發(fā)射掃描電鏡和傅里葉變換紅外光譜分析,這種材料的SiO2殼層有效地將SiC活性材料和電解液分離開來,抑制了固體電解質(zhì)界面膜(SEI)快速產(chǎn)生,保證了活性材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性接下來我們研究了SiCNWs的生長機(jī)理以及納米線生長過程中的不同形貌在電化學(xué)儲能方面影響。首先我們對材料的制備條件進(jìn)行了詳細(xì)的研究,得出用CVD方法制備碳化硅納米線薄膜生長在石墨紙上的最節(jié)能環(huán)保的生長條件,即最低制備溫度、最少制備原料和最短制備時間。在這個制備條件下,我們選取0h,0.5h,1h,3h,5h,7h,10h這七個時間段進(jìn)行了研究。通過SEM,直觀的看到了SiCNWs在不同時間段下的生長狀態(tài)。其次,我們將這七個制備時間段生長狀態(tài)下的材料分別應(yīng)用于超級電容器上,測試其電化學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)在0.5h和1h這兩個時間段下材料表現(xiàn)出最高的首周充放電比容量,而生長時間為10h的情況下,材料的充放電比容量一直在增加,循環(huán)200周后穩(wěn)定下來,表現(xiàn)出更高的比容量2F cm-2。這可能是由于0.5h,1h時接觸石墨紙的碳化硅材料由密布的小球組成,比表面積最大,所以比容量最高;而10h后,SiCNWs并沒有直接同導(dǎo)電石墨紙接觸,而是通過厚厚的一層碳化硅膜來傳遞電荷,因此材料在最初并不能展示出很高的比電容值。經(jīng)過200周循環(huán)后比容量增加,1000周循環(huán)后仍然保持比容量不變,顯示出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：納米碳化硅 鋰離子電池 電化學(xué)性能 超級電容器
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN304.24
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 緒論11-25
• 1.1 SiC納米材料的發(fā)展簡介11-14
• 1.1.1 SiC的發(fā)展歷史11-12
• 1.1.2 SiC的結(jié)構(gòu)與性能12-13
• 1.1.3 一維SiC納米線的制備及性能13-14
• 1.2 SiC材料在鋰離子電池方面的應(yīng)用研究14-17
• 1.2.1 鋰離子電池的工作原理及性能特點(diǎn)14-16
• 1.2.2 負(fù)極材料在鋰離子電池方面的發(fā)展16
• 1.2.3 SiC材料在鋰離子電池上的研究和發(fā)展16-17
• 1.3 SiC納米材料在超級電容器方面的應(yīng)用研究17-19
• 1.3.1 超級電容器分類和原理17
• 1.3.2 超級電容器的電極材料17-18
• 1.3.3 SiC納米材料在超級電容器方面的應(yīng)用研究18-19
• 1.4 主要研究內(nèi)容19-21
• 參考文獻(xiàn)21-25
• 第2章 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其用途與原理25-29
• 2.1 實(shí)驗(yàn)主要原料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備25
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)原料25
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備25
• 2.2 測試儀器25-29
• 2.2.1 掃描電子顯微鏡25-26
• 2.2.2 透射電子顯微鏡26
• 2.2.3 X射線衍射儀26
• 2.2.4 Raman光譜分析26-27
• 2.2.5 傅里葉變換紅外光譜儀27
• 2.2.6 電池循環(huán)性能測試27-29
• 第3章 碳化硅納米線在鋰離子電池方面的應(yīng)用29-45
• 3.1 材料的制備29-30
• 3.2 物理性能表征30-35
• 3.2.1 樣品形貌特征分析—SEM和TEM數(shù)據(jù)分析30-33
• 3.2.2 XRD測試與分析33-34
• 3.2.3 拉曼測試與分析34-35
• 3.3 電化學(xué)性能測試與分析35-40
• 3.3.1 電池的循環(huán)保持性分析35-36
• 3.3.2 循環(huán)后材料的SEM和FTIR36-38
• 3.3.3 電池的充放電和CV測試與分析38-40
• 3.4 本章小結(jié)40-42
• 參考文獻(xiàn)42-45
• 第4章 碳化硅納米線在超級電容器方面的應(yīng)用45-63
• 4.1 樣品的制備45-46
• 4.2 物理性能表征46-57
• 4.2.1 SEM測試與分析46-55
• 4.2.2 碳化硅納米線的生長機(jī)理分析55-56
• 4.2.3 XRD測試與分析56-57
• 4.3 材料的電化學(xué)性能測試與分析57-60
• 4.3.1 循環(huán)伏安曲線測試與分析57
• 4.3.2 恒流充放電測試分析57
• 4.3.3 EIS測試分析57-59
• 4.3.4 10h生長時間下的CV和循環(huán)保持性分析59-60
• 4.4 本章小結(jié)60-61
• 參考文獻(xiàn)61-63
• 第5章 總結(jié)與展望63-65
• 5.1 總結(jié)63-64
• 5.2 展望64-65
• 致謝65-67
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄67-68

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