【摘要】：SiO_2因?yàn)槔碚搩?chǔ)鋰量大、低放電電位以及資源豐富的優(yōu)勢(shì)而有望成為新的鋰離子電池負(fù)極材料。但是SiO_2導(dǎo)電性差,并且充放電過(guò)程中SiO_2體積膨脹嚴(yán)重影響其電化學(xué)性能。因此,本論文嘗試探索了導(dǎo)電劑與SiO_2的物理混合、SiO_2納米化及納米SiO_2與一些導(dǎo)電性材料(二氧化鈦、還原性氧化石墨烯(rGO)和導(dǎo)電聚合物聚苯胺)形成納米復(fù)合物等幾種方式來(lái)克服SiO_2作為鋰離子電池負(fù)極材料的缺陷,結(jié)果表明SiO_2@rGO納米復(fù)合物能有效地提高SiO_2電極材料的比容量,緩沖SiO_2電極材料在充放電過(guò)程中的體積膨脹,提高其循環(huán)性和倍率特性。具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)研究了在不同含量導(dǎo)電劑BP-2000存在下商業(yè)SiO_2及納米SiO_2的電化學(xué)性能。結(jié)果表明含30 wt%,20 wt%和10 wt%BP-2000的商業(yè)SiO_2鋰離子電池負(fù)極材料在電流密度為100 mA g~(-1)時(shí)充放電循環(huán)100周后,放電比容量則分別為238.7mAhg~(-1)、112.4 mAhg~(-1)以及48.4 mAhg~(-1),說(shuō)明了導(dǎo)電劑與SiO_2的物理混合能改善SiO_2的導(dǎo)電性,從而提高SiO_2的比容量。在相同條件下,納米SiO_2的首周放電比容量達(dá)到1002.4 mAhg~(-1),而商業(yè)SiO_2的首周放電比容量卻只有512.2mAhg~(-1),這可能由于納米SiO_2的量子特性引起的,說(shuō)明納米SiO_2同樣能改善SiO_2的導(dǎo)電性及提高SiO_2材料的比容量。(2)用經(jīng)典St?ber法合成了不同粒徑大小的單分散SiO_2納米顆粒,通過(guò)鈦酸四丁酯的水解在單分散納米SiO_2表面沉積TiO_2而形成SiO_2@TiO_2納米復(fù)合物,再經(jīng)過(guò)NaOH蝕刻內(nèi)核的SiO_2制備了中空SiO_2@TiO_2納米復(fù)合材料,并且研究其作為鋰離子負(fù)極材料的電化學(xué)性能。結(jié)果是以50 nm SiO_2合成的中空SiO_2@TiO_2納米復(fù)合材料在100 mA g~(-1)的電流密度下,循環(huán)100周后放電比容量為527 mAhg~(-1),庫(kù)倫效率接近100%,以300 nm SiO_2合成的中空SiO_2@TiO_2納米復(fù)合材料在100 mA g~(-1)的電流密度下,循環(huán)78周后放電比容量為405 mAhg~(-1),庫(kù)倫效率為98%,說(shuō)明了中空SiO_2@TiO_2納米復(fù)合材料的電化學(xué)性能與納米SiO_2相比明顯得到了改善,且隨SiO_2粒徑的減少,中空SiO_2@TiO_2納米復(fù)合材料的電化學(xué)性能進(jìn)一步增強(qiáng)。這可能是由于具有一定導(dǎo)電性的TiO_2包覆及納米SiO_2改善了SiO_2的導(dǎo)電性,且中空SiO_2@TiO_2納米復(fù)合物的結(jié)構(gòu)緩釋了由于充放電而導(dǎo)致的體積膨脹。(3)通過(guò)氨丙基三甲氧基硅烷(APS)改性合成的單分散SiO_2使得SiO_2表面帶有正電荷,將表面帶負(fù)電荷的氧化石墨烯(GO)吸附在其表面形成SiO_2@GO納米復(fù)合物,最后用水合肼還原表面的GO而形成SiO_2@rGO納米復(fù)合物,并研究其作為鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能。結(jié)果表明在100 mA g~(-1)的電流密度下循環(huán)99周后,SiO_2@rGO納米復(fù)合物的放電比容量仍為486.4 mAhg~(-1),且?guī)靵鲂蕿?7.2%,這可能是由于rGO結(jié)構(gòu)的柔軟性和強(qiáng)的導(dǎo)電性改善了SiO_2的導(dǎo)電性及緩釋了由于充放電過(guò)程中SiO_2的體積膨脹。(4)用表面沉積法制備了SiO_2@PANI納米復(fù)合物,研究了SiO_2@PANI納米復(fù)合物作為鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能。結(jié)果表明在100 mA g~(-1)的電流密度下循環(huán)100周后,放電比容量仍為415.6 mAhg~(-1),且?guī)靵鲂蕩缀?00%,這主要是由于導(dǎo)電聚合物聚苯胺的包覆改善了納米SiO_2的導(dǎo)電性,從而提高了SiO_2的放電比容量。
【圖文】：

鋰離子電池工作的原理圖

商業(yè)二氧化硅SEM圖
【學(xué)位授予單位】：武漢輕工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM912;TB33;TQ127.2

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本文編號(hào)：2615310