隨著全球經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,能源問題便成為如今人類社會所面臨的嚴(yán)峻問題之一。鋰離子電池由于具有較小的體積、較高的能量功率密度以及優(yōu)秀的循環(huán)穩(wěn)定性能等顯著優(yōu)點,被廣泛用于各種各樣的電子設(shè)備里。其中正負(fù)極材料會影響到鋰離子電池本身性能的提高,石墨材料在商業(yè)化方面的實際容量已經(jīng)迫近了其理論容量372 mA h/g,不能很好的達到如今動力電池高能量密度的要求,而硅基負(fù)極材料由于其較高的理論比容量和較低的嵌鋰電位、低廉的成本等優(yōu)勢,有望取替石墨成為新一代的鋰離子電池負(fù)極材料。但是硅材料會在充放電的過程中由于自身的體積膨脹從而使得電池的循環(huán)穩(wěn)定性能下降。因此使得硅納米化或者優(yōu)化硅、碳二者之間復(fù)合結(jié)構(gòu)等方式,從而制備出穩(wěn)定的硅碳復(fù)合材料,這是提高硅材料鋰離子電池循環(huán)穩(wěn)定性的有效辦法。本研究通過碳硅材料中空結(jié)構(gòu)設(shè)計,碳和金屬氧化物材料包覆硅以及鎂熱還原二氧化硅等方法制備了碳硅復(fù)合電極材料。采用X-射線衍射（XRD）,掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等進行了樣品的形貌和組成等系列表征。最后材料通過制作電池進行電化學(xué)性能測試,具體的研究內(nèi)容以及結(jié)果如下:（1）通過對納米硅顆粒進行碳和金屬氧化... 

【文章來源】：燕山大學(xué)河北省

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

鋰離子電池結(jié)構(gòu)原理示意圖

第1章緒論-3-化普遍應(yīng)用的石墨材料實際容量已經(jīng)接近理論容量（實測容量365mAh/g，理論容量372mAh/g），難以滿足現(xiàn)有動力電池對高能量密度的需求[24]。而且碳負(fù)極材料和部分電解液中的有機物相容性比較差，所以碳材料已經(jīng)不能夠適應(yīng)現(xiàn)如今鋰離子電池的發(fā)展要求，因此急需尋找一種既具有高能量密度同時又是地球上豐富儲量的材料來取代現(xiàn)有負(fù)極材料。經(jīng)研究表明，硅(Si)是迄今為止所發(fā)現(xiàn)理論容量最大的負(fù)極材料，當(dāng)鋰(Li)與硅形成Li4.4Si合金時，其比容量高達4200mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨材料的理論比容量，并且Si具有較低的嵌鋰電位和低廉成本價格的優(yōu)勢，有望取代石墨成為未來下一代的鋰離子電池負(fù)極材料[25,26]。1.3.2硅負(fù)極的儲鋰機理與石墨的插層化儲鋰機理不同的是，單質(zhì)Si可以與金屬鋰形成一系列合金化合物。當(dāng)溫度為400~500℃時能夠通過庫侖滴定的方法，觀察到一系列的LixSi（X為鋰和硅的原子比）合金相平臺，如圖1-2所示[28]。其中形成Li22Si5硅鋰合金時，其比容量可以達到4200mAh/g。圖1-2鋰硅合金LixSi中鋰的比值[27]然而常溫下，Si晶體首次嵌鋰過程只有在0.1V左右時會出現(xiàn)一個低且長的電壓

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-4-平臺,對應(yīng)著Si的合金化過程。晶體Si常溫與高溫下嵌鋰電位曲線的差異，可能是由于常溫下穩(wěn)態(tài)平衡相的生成受阻于動力學(xué)，而生成了吉布斯自由能更低的亞穩(wěn)態(tài)的LixSi非晶相合金[29]。在常溫下通常嵌鋰電壓接近0V時，往往會有結(jié)晶態(tài)的Li15Si4形成，而不是Li22Si5合金。而根據(jù)第一性原理計算以及實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的結(jié)論來看，在接近于形成晶態(tài)Li15Si4合金時，Si原子幾乎均勻地分散開來并完全被Li原子所包圍起來，因亞穩(wěn)態(tài)Li15Si4的形成被認(rèn)為從動力學(xué)的角度是更有利的[30]，此時理論比容量大約在3579mAh/g，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的石墨負(fù)極材料。1.3.3硅基負(fù)極面臨的問題Si基負(fù)極材料的一個不可避免的挑戰(zhàn)是由于體積變化較大以及在充電和放電過程中產(chǎn)生的嚴(yán)重影響，導(dǎo)致它們的循環(huán)穩(wěn)定性差[32]。完全鋰化后，Si的體積劇烈膨脹（約為300％）產(chǎn)生巨大的應(yīng)力從而會導(dǎo)致一系列嚴(yán)重的后果，如圖1-3所示[31]。圖1-3Si電極的三種不同失效機理，(a)電極粉化；(b)整個電極塌陷；(c)SEI層的連續(xù)斷裂和重新生長[31]。（1）由于在反復(fù)的放電/充電過程中體積膨脹導(dǎo)致Si上存在較高內(nèi)應(yīng)力，引起


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