【摘要】：隨著移動(dòng)電子設(shè)備和電動(dòng)汽車等行業(yè)的興起,市場(chǎng)對(duì)長(zhǎng)續(xù)航鋰離子電池的需求越來越大,開發(fā)新型的高能量密度電極材料迫在眉睫。相比于傳統(tǒng)石墨負(fù)極有限的比容量(理論值:372 mA h g~(-1)),硅材料在儲(chǔ)鋰時(shí)展現(xiàn)出的超高比容量(理論值:4200 mA h g~(-1))引起了研究者的興趣。硅基電極材料具有工作電位適中、儲(chǔ)量豐富、無污染等優(yōu)點(diǎn),使之成為下一代高比能量鋰離子電池負(fù)極材料的熱門候選者。然而,硅基電極材料的商業(yè)化應(yīng)用之路并不順利,主要的限制因素在于兩點(diǎn):(1)硅在充放電過程中會(huì)伴隨有巨大的體積膨脹(~420%),隨之而來的應(yīng)力應(yīng)變將導(dǎo)致活性硅材料的破碎、粉化、失活,同時(shí)生長(zhǎng)在材料表面的固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)膜將會(huì)不斷被破壞和重構(gòu),消耗大量的鋰源,最終都會(huì)使得電池快速失效;(2)硅本身是半導(dǎo)體材料,電子導(dǎo)電率較低,單純的硅材料將不能滿足大倍率快速充放電的要求。本論文針對(duì)硅基負(fù)極材料所面臨的挑戰(zhàn),從提高材料的導(dǎo)電性、維持電極在充放電過程中的穩(wěn)定性等方面出發(fā),主要研究了微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在優(yōu)化硅基負(fù)極材料及其復(fù)合電極材料儲(chǔ)鋰性能方面的應(yīng)用。在本論文的研究工作中,我們分別設(shè)計(jì)了一種微米級(jí)Yolk-Shell結(jié)構(gòu)Si/SiO_x@Void@C復(fù)合材料和一種硅納米顆粒嵌入蜂窩狀三維石墨烯導(dǎo)電骨架(SiNPs@rGO1/rGO2)復(fù)合材料。研究表明,通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),硅材料不僅能發(fā)揮出其高比容量的特征,還能具備較好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能,展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)利用SiO易發(fā)生歧化反應(yīng)的特點(diǎn),將歧化后生成的SiO_2相作為犧牲層,通過HF刻蝕SiO_2相,構(gòu)建出材料的內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步引入化學(xué)氣相沉積技術(shù)(CVD),在刻蝕之前的材料表面包覆一層碳外殼,由此即可獲得具有Yolk-Shell結(jié)構(gòu)的Si/SiO_x@Void@C復(fù)合電極材料。研究結(jié)果表明,該材料內(nèi)部具有豐富的空隙空間,能夠緩沖硅材料在充放電過程中的體積效應(yīng),同時(shí)碳?xì)O大地提高了復(fù)合材料的電導(dǎo)率,并增強(qiáng)了SEI膜的穩(wěn)固性,最終使得復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和大倍率性能,在6 A g~(-1)的大倍率測(cè)試中,可逆比容量仍保持為785 mA h g~(-1),300圈的循環(huán)測(cè)試中基本沒有衰減�？紤]整個(gè)實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單易重復(fù)、原料成本低廉,該材料具有一定的商業(yè)化應(yīng)用前景。(2)采用靜電自組裝過程將硅納米顆粒(SiNPs)進(jìn)行預(yù)包覆,有效地克服了SiNPs團(tuán)聚的問題,并使之能夠完整地嵌入到三維石墨烯的導(dǎo)電骨架中,獲得了嵌入式的SiNPs@rGO1/rGO2復(fù)合材料。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度分析,一方面該材料內(nèi)部豐富的空隙將為體積效應(yīng)提供充足的緩沖空間;另一方面,三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)和雙層的包覆結(jié)構(gòu)有效提高了材料的導(dǎo)電性,同時(shí)避免了SEI膜直接在SiNPs表面上的生成,減輕了體積變化對(duì)SEI膜的破壞作用。研究表明,相比于純SiNPs和單層石墨烯改性(SiNPs@rGO1和SiNPs@rGO2),SiNPs@rGO1/rGO2復(fù)合電極材料展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì),在1000 mA g~(-1)的電流密度下穩(wěn)定循環(huán)200圈之后可逆比容量可保持為880 mA h g~(-1)。同時(shí),這種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅適用于硅基材料,還為其它類似的合金基負(fù)極材料的優(yōu)化提供了一種研究思路。
【圖文】：

鋰離子電池的工作原理

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文1.3 鋰離子電池負(fù)極材料研究概述負(fù)極材料是鋰離子電池必不可少的組成部分，是影響電池使用性能的關(guān)鍵因素之一，已經(jīng)得到廣泛的研究。一種理想的負(fù)極材料應(yīng)該具備以下性質(zhì)，包括高可逆比容量、長(zhǎng)循環(huán)壽命、大倍率性能、合適的低電位、低成本以及高安全性，，同時(shí)還需要與電解液具有較好的相容性。目前的已經(jīng)商用或者報(bào)道過的負(fù)極材料主要包含碳基負(fù)極材料[14]、Li4Ti5O12[15]、合金類負(fù)極材料[16]和過渡金屬化合物負(fù)極材料[17]，如圖 1-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM912;TQ127.2

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 羅飛;褚賡;黃杰;孫洋;李泓;;鋰離子電池基礎(chǔ)科學(xué)問題(Ⅷ)——負(fù)極材料[J];儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù);2014年02期

本文編號(hào)：2688829