锂离子电池硅基复合负极材料的制备及性能研究

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1、论文分类号：２学校代码：１０７０８：０２３学号１５０８ｍ＾ＡＡＡＡｌＳＨＡＡＮＸＩＵＮＩＶＥＲＳ１１／ＯＦＳＣＩＥＮＣＥｉＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士学位论文’ＴｈｅｓｉｓｆｏｒＭａｓｔｅｒｓＤｅｇｒｅｅ锂离子电池硅基复合负极材料的制备及性能研究杨蕊、一指导教师姓名：沈丁教授杨晓武讲师学科称：化学名有机论文提交日期：２０１８年３月论文答辩日期：２０１８年５月’学位授予单位＝：陕西科技大学＿ｙ＼■—＾—■■■■—■■＿■—１＾—■■■■—申请理学硕士学位论文论文题目：锂离子

2、电池硅基复合负极材料的制备及性能研究学科门类：理学一级学科：化学培养单位：化学与化工学院硕士生：杨蕊导师：沈一丁教授杨晓武讲师2018年5月PreparationandPerformancesStudyofSiliconBasedCompositeAnodeMaterialsforLithiumionBatteriesAThesisSubmittedtoShaanxiUniversityofScienceandTechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofSci

3、enceByRuiYangSupervisor:Prof.YidingShen,LecturerXiaowuYangMay2018锂离子电池硅基复合负极材料的制备及性能研究摘要锂离子电池以其诸多优势，在环保车辆、高端电子设备等新能源领域受到热烈的推崇。硅的理论比容量为4200mAh·g-1，远高于锂离子电池常规的石墨负极（372mAh·g-1）。然而，硅材料在作为锂离子电池负极材料时有一个重大缺陷，即在嵌/脱锂过程中，硅颗粒会发生巨大的体积膨胀（>300%）。而这种体积变化会造成硅负极容量的急速降低。因此，缓解体积膨胀，改善循环稳定性，是研究硅基负极材

4、料的关键。为了改善这一个问题，本课题主要以纳米硅粉为基础，分别将其与定向合成的管状聚吡咯、管状无定形碳在机械球磨下混匀制备硅/管状聚吡咯、硅/管状无定形碳的复合材料。并提出在复合材料极片表面覆盖一层石墨烯，形成双层结构来对硅/管状无定形碳复合负极进行进一步改性，以实现控制硅基材料的膨胀脱落、延长电极循环寿命的效果。通过红外光谱（FTIR）、X-射线衍射仪（XRD）、拉曼光谱（Raman）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等检测方式对复合材料进行形貌结构表征，通过恒流充放电、阶梯倍率、循环伏安曲线以及交流阻抗曲线等检测方式对复合材料的电化学性能进行

5、表征，分析出最优的复合比例和覆盖厚度。本文的主要研究内容与结果如下：（1）在甲基橙作用下定向合成管状聚吡咯，将其与纳米硅粉在机械球磨作用下均匀混合，制备了3种不同质量比（4:2、3:3、2:4）的硅/管状聚吡咯复合负极，并以纯硅负极的电化学性质为参考，探究该材料的最佳复合质量比。结果表明，管状聚吡咯的加入有效缓解了硅的体积膨胀，提高了循环寿命和容量保持率，其中复合比3:3的硅/管状聚吡咯复合材料表现出了相对最优的电化学性能，在500mA·g-1的电流密度下，经过100次循环，比容量由初始的1889.2mAh·g-1降至627.5mAh·g-1，容量保持

6、率为33.22%；在阶梯式循环测试中，当电流密度重新恢复到正常状态，比容量可恢复到831.4mAh·g-1。（2）以定向合成的管状聚吡咯作为碳化前躯体，分别按4:2、3:3、2:4的质量比与纳米硅粉混匀，并在800℃的条件下碳化得到硅/管状无定形碳复合材料，探究最佳复合质量比。测试结果表明，复合负极的嵌锂能力及容量稳定性较纯硅负极有明显改善。当复合比为3:3时，硅/管状无定形碳复合I负极的各项性能均相对较佳，具体表现为，循环100次后比容量由初始的2393mAh·g-1降至549.5mAh·g-1，容量保持率为22.96%；经大电流密度阶梯式循环后，比

7、容量仍可恢复到787mAh·g-1。（3）提高硅基负极的循环稳定性也可以通过保持硅与集流体的电接触来实现。在硅/无定形碳复合负极的基础上涂覆一层厚度分别为2μm、4μm、6μm的石墨烯浆料作为外层，制备了一种具有双层结构的复合负极，以阻止破碎的负极材料与集流体失去电接触。极片断面SEM及电化学测试表明，双层结构显著地抑制了负极材料的粉碎脱落，且4μm是相对最佳的石墨烯层厚度，经100次循环，比容量1969.2mAh·g-1降至829.6mAh·g-1，容量保持率为42.13%；经大电流密度阶梯式循环后，比容量仍可恢复到931.8mAh·g-1。关键词：

8、锂离子电池，硅基复合负极，聚吡咯，无定形碳，双层结构，电化学性能IIPreparationan