本文選題：硅基鋰離子電池 + 高倍率��； 參考：《南京大學》2017年碩士論文

【摘要】：隨著智能移動終端和電動汽車行業(yè)的高速發(fā)展,研究開發(fā)高比容量、高倍率性能、長循環(huán)壽命、可快速充放電且安全可靠的鋰離子電池已成為必然的趨勢。硅(Si)材料,理論比容量高至～4200mAh/g,為目前已知中最高,且儲量豐富,制造成本低廉,是取代目前商用碳基負極鋰離子電池最具有潛質的競爭者,引起廣泛而深入的研究。當前,導電性差及巨大的體積膨脹(～400%)是硅基作為鋰電池負極材料面臨的主要挑戰(zhàn),導致其在電化學循環(huán)過程中循環(huán)壽命短,倍率性能低,穩(wěn)定性差,影響其投入商用。低維納米結構具有巨大的表體比可提高負載量和鋰化嵌入反應位點的密度,且本身能緩解體積膨脹,甚至納米結構個體間的空隙可舒緩體積膨脹引起的擠壓,是比較理想的鋰離子電池負極的材料結構。通過復合高導電性、低體積膨脹(甚至不參與鋰化反應)的材料----納米材料復合,可增強Si基材料的導電性,穩(wěn)定SEI膜,提高倍率性能和長循環(huán)壽命,而通過納米結構復合可提供多維導電通道,且增加機械穩(wěn)定性,可進一步提升高倍率性能和長循環(huán)穩(wěn)定性。本文針對Si基陽極鋰離子電池的倍率性能低、長循環(huán)穩(wěn)定性差以及質量負載低的問題,提出并發(fā)展了銅-硅(Cu-Si)納米材料和結構"雙復合"的設計思路,構建互聯三維網絡結構,制備高度互聯Cu/a-Si核殼納米線結構,進一步結合原位中空技術和Cu_3Si納米顆粒復合嵌入技術,獲得Cu-Si合金復合納米管陽極結構,通過對其形貌和結構表征,以及高倍率性能和長循環(huán)穩(wěn)定性的測試,實現Si基鋰離子電池的高倍率快充和長循環(huán)壽命。本論文的創(chuàng)新點具體如下:1、基于多孔Cu泡沫襯底,通過空氣熱氧化制備法和(NH4)2S2O8、NaOH溶液化學合成制備法分別制備高度交叉的CuO NWs基底結構,通過控制各自合成的參數,可依次獲得長度～10 um,直徑～40 nm筆直CuONWs線狀結構和長度～30 um,直徑～60nm的彎曲CuO NWs帶狀結構�；趯嶒灛F象和理論分析,提出了形變應力誘導Cu原子通過晶界擴散生長的CuO NWs生長模型,并從晶格結構闡明Cu(OH)2脫水轉變?yōu)镃uO的過程。2、將彎曲的CuO NWs帶狀結構基底置于PECVD中,SiH4分解淀積,依形包裹覆蓋a-Si殼層,有效焊接交叉結構成高度互聯三維網絡結構,增強機械穩(wěn)定性,在H2氛圍內低溫退火還原,形成Cu/a-Si核殼納米線陽極結構,在3.6 A/g(1 A/g)電流密度下循環(huán)700次(1000次),依然擁有比容量748mAh/g(1026mAh/g),容量保持率80%,獲得優(yōu)異的長循環(huán)穩(wěn)定性。Cu芯的高導電性,核殼結構的短距離離子擴散長度以及互聯的多導電通道結構的復合思路,使得電極在經歷64 A/g的超高電流密度下循環(huán)25次,返回1A/g,擁有75%的容量恢復率,隨后繼續(xù)循環(huán)至1000次,依然保持80%,為1026 mAh/g,展現出良好的高倍率性能和長循環(huán)穩(wěn)定性。3、基于筆直的CuO NWs線狀結構,淀積覆蓋a-Si,膠合交叉結構成互聯三維網絡,增強機械魯棒性,在H2中高溫退火,還原的Cu原子擴散至a-Si殼層并合金化成Cu_3Si納米顆粒,同時原位鏤空成空心結構,形成互聯中空Cu-Si合金納米管陽極,在3.4 A/g的電流密度下,循環(huán)1000次,比容量依然高達1010 mAh/g。Cu_3Si顆粒摻雜和互聯中空結構的"雙復合"思路,實現了優(yōu)異的高倍率性能,在20 A/g(3 min充滿一次電)的高電流密度下,快速充放電1000次,容量依然保持88%,比容量為780mAh/g,是目前商用石墨電極(378mAh/g)的兩倍多,一定程度上實現高效、快充、穩(wěn)定的Si基鋰離子電池。4、Cu_3Si納米顆粒的嵌入復合效應可以提高Si基陽極的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。相比于傳統的B、P等摻雜工藝,該復合思路基于Cu_3Si非活性鋰化材料,避免了鋰化過程中的B、P等化學鍵的斷裂,進而失去摻雜效果的現象,對提高儲能材料的導電性,增強其機械支撐,實現高倍率快速充放電和長循環(huán)穩(wěn)定性意義重大,也為實現快速充放電鋰離子電池提供全新的思路。
[Abstract]:This paper presents and develops the structure of Cu - Si ( Cu - Si ) nano - material and structure " double recombination " , which can improve the electrical conductivity of Si - based materials , stabilize SEI film , raise rate performance and long cycle life . Based on the experimental phenomena and theoretical analysis , a Cu / a - Si core - shell nano - wire anode structure was prepared by annealing at a current density of 64 A / g . Compared with the conventional B , P and other doping processes , the composite thought is based on the Cu _ 3 Si non - active lithiated material , thus the phenomena of B , P and other chemical bonds in the lithiation process can be improved , the conductivity of the energy storage material is improved , the mechanical support is enhanced , the high multiplying power rapid charge discharge and long cycle stability are significant , and the novel idea is also provided for realizing the rapid charge and discharge lithium ion battery .
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM912

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本文編號：2014379