發(fā)布時間：2018-01-01 18:14

  本文關(guān)鍵詞：硅銀碳納米雜化鋰離子電池負(fù)極材料的制備及性能研究　出處：《中北大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：硅的質(zhì)量比容量高、充放電平臺低、資源豐富、安全性好等優(yōu)點(diǎn)使其成為了最有潛力的鋰離子電池負(fù)極替代材料。但硅本身存在兩大缺陷:體積膨脹和導(dǎo)電性差。導(dǎo)致其壽命短、循環(huán)性差。目前,改善硅基負(fù)極的鋰電性能的措施包括:納米化,復(fù)合化以及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。納米化是通過將硅的尺寸減小到納米級別,從而減少硅在循環(huán)過程中的絕對體積膨脹和破碎。如硅納米顆粒、硅納米管等。復(fù)合化是將硅與碳、金屬、非金屬等緩沖基質(zhì)復(fù)合,緩解體積膨脹,增強(qiáng)硅基負(fù)極的導(dǎo)電性。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指的是通過對硅基負(fù)極構(gòu)筑多層次結(jié)構(gòu)來容納硅的體積膨脹,抑制SEI膜形成。其中金屬銀單質(zhì)由于具有良好的機(jī)械性能和導(dǎo)電性而被廣泛研究。但金屬銀屬于貴金屬,銀的大量使用會導(dǎo)致生產(chǎn)成本的加大不利于產(chǎn)業(yè)化。另外在鋰離子電池充放電的過程中銀的嵌鋰能力及其有限。所以銀的大量使用還會導(dǎo)致負(fù)極材料容量的降低。為了解決這一系列問題,本論文從以下幾個方面入手:第一,通過制備硅銀碳納米雜化材料引入碳基質(zhì),不僅有利于降低材料的成本,同時有利于形成連續(xù)的導(dǎo)電基質(zhì),緩解硅基負(fù)極在循環(huán)過程中的體積膨脹。第二:制備超小的銀納米粒子,銀納米粒子的減小有利于刺激誘導(dǎo)電場的產(chǎn)生,從而增強(qiáng)碳基質(zhì)的導(dǎo)電性。第三:制備不同形貌的銀納米粒子如銀納米棒,有利于形成三維交聯(lián)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。本論文中重要研究結(jié)果如下:(1)通過超聲分散法制備硅銀負(fù)極并對其鋰電性能進(jìn)行研究,我們發(fā)現(xiàn)通過與銀納米粒子進(jìn)行復(fù)合,可以顯著改善硅基負(fù)極的鋰電性能。但是隨著銀含量的增多,硅銀負(fù)極的整體比容量有所下降。說明大量的銀的存在會導(dǎo)致硅基負(fù)極的容量的降低。(2)通過簡單的固化煅燒法制備銀碳負(fù)極并對其鋰電性能進(jìn)行研究,我們發(fā)現(xiàn)少量的銀納米粒子的存在可以顯著改善熱解碳負(fù)極的鋰電性能。(3)通過簡單的固化煅燒法制備硅銀碳負(fù)極并對其鋰電性能進(jìn)行研究,我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所制備的碳基質(zhì)為氮參雜的碳。通過對納米雜化材料負(fù)極的鋰電性能進(jìn)行表征,我們發(fā)現(xiàn)在硅碳負(fù)極中引入銀納米粒子可以顯著改善其倍率性能,尤其是在大電流密度下,硅銀碳負(fù)極表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。這說明銀的加入顯著改善了碳基質(zhì)的導(dǎo)電性。(4)通過引入形貌調(diào)控劑,我們得到了含有銀納米棒的硅銀碳納米雜化材料。在對所制備的復(fù)合材料進(jìn)行鋰電性能表征之后,我們可以發(fā)現(xiàn)含有銀納米棒的硅銀碳納米雜化材料表現(xiàn)出了最佳的倍率性能,可能由于銀納米棒的加入有利于形成交聯(lián)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)從而極大地改善鋰離子電池的倍率性能。
[Abstract]:The quality of silicon is high, the charging and discharging platform is low, and the resources are abundant. The advantages of good safety make it the most potential anode substitute for lithium ion batteries. However, silicon itself has two major defects: volume expansion and poor electrical conductivity, resulting in its short life, poor cycling. At present. Measures to improve the lithium electrical properties of silicon-based negative electrodes include nanocrystalline, composite and reasonable structural design. Nanocrystalline is achieved by reducing the size of silicon to the nanometer level. In order to reduce the absolute volume expansion and breakage of silicon in the process of cycling, such as silicon nanoparticles, silicon nanotubes, etc., the composite is to compound silicon with buffer matrix such as carbon, metal, non-metal and so on, so as to alleviate volume expansion. Reasonable structure design is to build multi-layer structure of silicon based negative electrode to accommodate the volume expansion of silicon. Silver is widely studied because of its good mechanical properties and electrical conductivity, but silver is a precious metal. The large use of silver will lead to the increase of production cost which is not conducive to industrialization. In addition, during the charging and discharging process of lithium ion batteries, the lithium intercalation capacity of silver is limited. Therefore, the large use of silver will also lead to the reduction of the capacity of negative electrode materials. To solve this series of problems. This paper starts from the following aspects: first, by preparing silver-carbon nano-hybrid materials to introduce carbon matrix, not only to reduce the cost of materials, but also to form a continuous conductive matrix. Second, ultrasmall silver nanoparticles were prepared. The reduction of silver nanoparticles was helpful to stimulate the generation of electric field. In order to enhance the electrical conductivity of the carbon matrix. Third: the preparation of different morphology of silver nanoparticles such as silver nanorods. In this paper, the main results are as follows: 1) Silicon-silver negative electrode was prepared by ultrasonic dispersion method and its lithium electrical properties were studied. We found that the lithium electrical properties of silicon-based anode can be significantly improved by compounding with silver nanoparticles, but with the increase of silver content. The overall specific capacity of silver-silver anode has been decreased. It shows that the presence of a large amount of silver will lead to the reduction of silicon-based anode capacity. 2) Silver-carbon negative electrode was prepared by simple curing calcination method and its lithium electrical properties were studied. We found that the presence of a small amount of silver nanoparticles can significantly improve the lithium electrical properties of pyrolytic carbon anode. We found that the carbon matrix prepared by the experiment is nitrogen-doped carbon. Through the characterization of lithium electrical properties of the negative electrode of nano-hybrid materials, we found that the introduction of silver nanoparticles into the silica carbon anode can significantly improve its rate performance. Especially at high current density, silver-silicon carbon anode exhibits excellent performance, which indicates that the addition of silver significantly improves the conductivity of carbon matrix. The silver-silver-carbon nanohybrid materials containing silver nanorods were obtained and the lithium electrical properties of the composites were characterized. We can find that silver-carbon nano-hybrid materials containing silver nanorods exhibit the best rate performance. It is possible that the addition of silver nanorods is conducive to the formation of a cross-linked conductive network which greatly improves the performance of lithium-ion batteries.
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM912;TB383.1

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本文編號：1365639