锂离子电池硅碳复合材料的制备及改性研究

论文摘要

随着石油资源的日益枯竭,人们对新能源的需求也越来越强烈,锂离子二次电池作为新能源的代表得到了广泛的应用。但是传统的石墨负极材料已经不能满足人们对高比容量电池的需求,因此人们转向开发新型高比容量电池材料,硅具有4200 mAh·g-1的理论容量,因此成为研究的热点。硅作为锂离子电池负极材料,在嵌锂过程中体积发生严重膨胀,导致材料在多次充放电之后会发生粉化,这严重制约了硅负极材料的商业化应用。本文主要对高温固相法制备出的硅/石墨/碳复合材料进行相关改性,并通过溶胶—凝胶法制备硅/碳复合材料来提高硅基负极材料的循环稳定性。采用高温固相法制备出硅/石墨/碳复合材料,通过改变烘干温度、和膏pH值、优化导电剂、二次包覆等手段来提高材料的循环稳定性。研究发现通过降低烘干温度能有效增强材料的循环稳定性,在80℃下进行烘干,材料最终首次效率为87.9%,首次可逆容量为1000 mAh·g-1,经过100次循环容量保持率为54%。当采用碳纳米管（CNT）作为导电剂的时候,硅/石墨/碳复合材料的首次效率为87.5%,首次可逆容量为1148mAh·g-1,经过100次的循环仍然有67.3%的容量保持率。通过这些改性均可以有效提高材料的循环稳定性。对硅/石墨/碳复合材料进行掺杂改性,通过掺杂镍来提高材料的导电性。将硅与镍进行机械球磨,球磨会有部分NixSi合金产生,将球磨后的硅/镍混合物代替纯硅制备出硅/镍/石墨/碳复合材料。经过惨杂后的复合材料首次效率仅为70%左右,首次可逆容量为500mAh·g-1,经过100次的循环后,该材料仍然有着92%的容量保持率,说明通过掺杂导电性良好的镍能够有效提高硅/石墨/碳复合材料的循环稳定性。通过溶胶-凝胶法制备出碳凝胶包覆硅以及硅/石墨复合材料。制备出的碳凝胶的首次放电容量为162 mAh·g-1,经过50次循环仍然有127mAh·g-1的容量,但是首次效率仅为37%;制备出的硅/碳复合材料首次可逆容量为188 mAh·g-1,经过100次循环后容量上升为228 mAh·g-1,首次效率为48%;制备出的硅/石墨/碳复合菜了首次可逆容量为650 mAh·g-1,经过100次循环后仍有412 mAh·g-1的高容量,首次效率提高为62%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池发展概况
• 1.2.1 锂离子电池工作原理
• 1.2.2 锂离子电池正极材料的研究概况
• 1.2.3 锂离子电池非硅基负极材料的研究概况
• 1.3 硅基负极材料研究进展
• 1.3.1 单质硅
• 1.3.2 硅碳复合负极材料
• 1.3.3 硅-金属合金负极材料
• 1.4 本文的研究目的和内容
• 第2章 实验材料与研究方法
• 2.1 实验药品与仪器
• 2.1.1 实验药品与材料
• 2.1.2 实验设备与仪器
• 2.2 材料的制备
• 2.2.1 高温固相法制备硅/石墨/碳复合材料
• 2.2.2 溶胶-凝胶法制备碳凝胶
• 2.2.3 溶胶-凝胶法制备硅/石墨/碳复合材料
• 2.3 电极制备与电池装配
• 2.3.1 电极的制备
• 2.3.2 电池的装配
• 2.4 材料的物理测试
• 2.4.1 X 射线粉末衍射
• 2.4.2 扫描电子显微镜
• 2.4.3 透射电子显微镜
• 2.5 材料的电化学测试
• 2.5.1 恒流充放电测试
• 2.5.2 交流阻抗测试
• 2.5.3 循环伏安测试
• 第3章 硅/石墨/碳复合材料制备工艺参数研究
• 3.1 单质硅的性能研究
• 3.1.1 单质硅的物理性能表征
• 3.1.2 单质硅的电化学性能测试
• 3.2 商用石墨的性能研究
• 3.2.1 商用石墨的物理性能表征
• 3.2.2 商用石墨的电化学性能测试
• 3.3 硅/石墨/碳复合材料的性能研究
• 3.4 干燥温度对硅/石墨/碳复合材料的性能影响
• 3.4.1 不同干燥温度材料的形貌表征
• 3.4.2 不同干燥温度材料的电化学性能测试
• 3.5 导电剂对 Si/G/C 复合材料的性能影响
• 3.5.1 不同导电剂的极片的形貌表征
• 3.5.2 不同导电剂的极片的电化学性能表征
• 3.6 和膏pH 值对Si/G/C 复合材料的性能影响
• 3.6.1 pH 值对材料的结构的影响
• 3.6.2 pH 值对材料电化学性能的影响
• 3.7 二次包覆对Si/G/C 复合材料的性能影响
• 3.7.1 二次包覆后材料的形貌表征
• 3.7.2 二次包覆对材料电化学性能的影响
• 3.8 本章小结
• 第4章 硅/石墨/碳复合材料的掺杂改性及碳源优化
• 4.1 掺杂镍粉后硅/石墨复合材料物理性能表征
• 4.2 不同比例掺杂镍对硅/石墨复合材料的性能影响
• 4.2.1 不同比例掺杂镍对硅/石墨复合材料形貌的影响
• 4.2.2 不同比例掺杂镍对硅/石墨复合材料电化学性能的影响
• 4.3 不同比例掺杂镍对硅/石墨/碳复合材料的性能影响
• 4.3.1 不同比例掺杂镍对硅/石墨复合材料形貌的影响
• 4.3.2 不同比例掺杂镍对硅/石墨复合材料电化学性能的影响
• 4.4 碳凝胶的合成原理及物理性能表征
• 4.4.1 碳凝胶的合成原理
• 4.4.2 碳凝胶的物理性能表征
• 4.4.3 碳凝胶的电化学性能表征
• 4.5 碳凝胶包覆硅复合材料的性能研究
• 4.5.1 碳凝胶包覆硅复合材料的形貌表征
• 4.5.2 碳凝胶包覆硅复合材料的电化学性能测试
• 4.6 碳凝胶包覆硅/石墨复合材料的性能研究
• 4.6.1 碳凝胶包覆硅/石墨复合材料的物理性能表征
• 4.6.2 碳凝胶包覆硅/石墨复合材料的电化学性能测试
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢