锂离子电池硅基复合负极材料的制备与性能-研究

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1、上海交通大学硕士学位论文摘要锂离子电池硅基复合负极材料的制备与性能研究摘要硅具有高的理论储锂容量、适中的电压平台、资源丰富、价格低廉和较好的安全性能，是最有希望取代石墨的新一代锂离子负极材料之一。然而，硅在嵌脱锂时有剧烈的体积效应（>300%），使材料颗粒粉化和电极导电网络遭到破坏，以及电导率低，限制了它的商业化应用。针对硅基材料以上技术瓶颈，从工艺简单易扩大化制备的角度出发，本文采取修饰导电碳（化学气相沉积法（CVD）、高温热解法）和构筑多孔二次结构（喷雾干燥法），制备了电化学性能得到明显改善的硅基复合材料。具体研究内容如下：1、纳米化和复合化相结合，以纳米硅粉

2、为原料，通过动态CVD法在纳米硅颗粒表面包覆一层厚度可调的均匀碳层（Si@C）。动态CVD装置由于其反应管可旋转的优势，特别适用于大批量制备均匀碳包覆的材料。分别探讨了不同碳层厚度、不同碳源对Si@C复合材料电化学性能的影响。当以甲苯为碳源时，最优的碳层厚度是~12nm，-1-在0.3Ag的电流密度下，70次循环后可逆容量保持在~1600mAhg1-1-1。在5Ag的大电流密度下仍能获得750mAhg的可逆容量。该材料优异的电化学性能得益于它合适厚度的碳层结构能缓冲硅的体积效应，增强材料导电性，维持电极稳定的导电网络。比较了甲苯和乙I万方数据上海交通大学硕士学位论

3、文摘要炔为碳源对材料的电化学性能的影响，发现乙炔为碳源性能更优，原+因可能归功于乙炔裂解沉积的碳层结构更加无定型，利于Li在其中的扩散，也更能缓解硅的体积膨胀。另外，还尝试了将原料纳米硅粉的量从2g/批扩大到10g/批，制备的材料电化学性能依旧保持良好。2、采用喷雾干燥法，将碳纳米管、酚醛树脂与纳米硅粉复合制球，再通过高温裂解反应制备Si/CNT/C复合材料。该材料的纳米硅和高导电性的CNT分散在无定形碳中，形成三维的多孔球形二次颗粒。碳层和CNT不仅组成了三维连续的高导电网络，而且提供了多孔的空间以缓冲硅的体积效应，防止纳米颗粒的团聚和循环时的粉化。-1在0.3

4、Ag的电流密度下，200次循环后，容量保持率为72%，可逆-1-1容量保持在~1700mAhg，在5Ag的大电流密度下仍有1200mAh-1g的高可逆容量。该材料优异的电化学性能得益于它的多孔纳/微二次结构。此外，还在原料中掺杂少量铜形成惰性铜硅合金相来巩固二次颗粒的机械强度，进一步提高其循环稳定性。3、以SiO为原料，通过球磨法、CVD包碳制备的m-SiO/C材料-1循环性能良好，0.3Ag下循环100次容量保持率为84%，可逆容量-1保持在~900mAhg。但首次效率较低（~62%），通过预嵌锂进行电极表面的修饰，可有效提高电极的首次效率，且电池的循环性能未受

5、到影响，依旧保持较高的电化学可逆性。而且锂粉的添加量越多，首次效率提高的越多，添加量皆控制在理论值的1.2倍以内。通过电压变化及交流阻抗分析，确定预嵌锂电极最优的静置时间是40h。本文从修饰导电碳、构筑孔结构、掺杂惰性合金相、金属锂修饰II万方数据上海交通大学硕士学位论文摘要等方面着手，采用简单且易扩大化的工艺制备了三种不同结构的硅基复合材料，明显改善了硅基负极的电化学性能。相关材料制备工艺为硅基负极的商业化应用提供了可行的思路。关键词：硅基负极材料，锂离子电池，动态CVD法，喷雾干燥，金属锂粉III万方数据上海交通大学硕士学位论文AbstractPREPARAT

6、IONANDELECTROCHEMICALSTUDYOFSILICON-BASEDCOMPOSITEANODEMATERIALSFORLITHIUMIONBATTERIESABSTRACTSiliconisregardedasoneofthemostpromisingcandidatestoreplacegraphiteanodematerialinnextgenerationlithiumionbatteries(LIBs),owingtoitshightheoreticalspecificcapacity,afairlylowdischargepotentia

7、l,arichresource,lowpriceandhighsafety.However,Siexhibitslargevolumechangesduringlithiation-delithiation,leadingtopulverizationofSiparticlesandbreakdownofelectricalconductingnetwork.Additionally,Sihasalowelectronicalconductivity.ThesehinderthecommercialapplicationofSiasanodematerial.Am

8、ingat