本文關(guān)鍵詞：鋰離子電池硅基負(fù)極材料的制備及電化學(xué)性能

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【摘要】：硅材料具有最高的理論比容量(4200 mAh/g)和適中的電位平臺(tái)(~0.4 V vs Li/Li+),具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿�。然而硅材料在充放電的過程中產(chǎn)生劇烈的體積效應(yīng)(300%)和低的本征導(dǎo)電率是制約硅負(fù)極材料發(fā)展和商業(yè)化的主要因素。本文從優(yōu)化硅電極制備工藝和合成硅復(fù)合材料兩方面來改善硅負(fù)極鋰離子電池電化學(xué)性能。優(yōu)化硅電極制備工藝,研究了導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和電解液添加劑的種類及含量對(duì)鋰離子電池硅電極電化學(xué)性能的影響,通過綜合性能評(píng)估和機(jī)理分析確定與硅材料匹配最佳的工藝條件。結(jié)果表明,采用15 wt%的導(dǎo)電劑SuperP與15 wt%的粘合劑CMC制備的硅電極首次充電比容量為2971.3 mAh/g,首次庫倫效率為80.5%,循環(huán)50次后可逆比容量保持在1143.8 mAh/g。在上述優(yōu)化基礎(chǔ)上,當(dāng)FEC優(yōu)化后的添加量為10 wt%時(shí),在1 A/g下經(jīng)100次充放電循環(huán)后,硅電極可逆比容量為842.6 mAh g-1。其次,采用電子束沉積法制備硅薄膜電極,通過控制沉積時(shí)間來改變沉積厚度,研究了硅薄膜的晶態(tài)、厚度對(duì)其電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,沉積在銅箔上的硅薄膜是非晶狀態(tài),其電化學(xué)行為與晶態(tài)硅的基本一致。當(dāng)沉積的硅薄膜的厚度為270 nm時(shí),電池呈現(xiàn)出相對(duì)較穩(wěn)定的循環(huán)性能。在1 C倍率下充放電循環(huán)時(shí),首次可逆比容量為3215.0 mAh g-1,循環(huán)50次后,容量保持在905.0 mAh g-1。設(shè)計(jì)制作了用于研究光力學(xué)-電化學(xué)測(cè)試的模擬電池,已獲得其硅電極在充放電過程中的形變初步信息。采用化學(xué)氧化還原法原位聚合得到包覆型硅/聚苯胺復(fù)合材料。研究了酸摻雜的聚苯胺在電解液體系中的電化學(xué)行為,聚苯胺在復(fù)合材料的含量對(duì)硅基材料結(jié)構(gòu)和性能的影響,結(jié)果說明,酸摻雜的聚苯胺在鋰電的電解液體系中仍存在一定電導(dǎo)率,且聚苯胺的存在并不影響硅的電化學(xué)行為并可以一定程度上提高電極的導(dǎo)電率。聚苯胺包覆納米硅后形成的核殼結(jié)構(gòu)可有效地緩解硅在脫/嵌鋰過程中的體積膨脹效應(yīng),提高了硅基材料的電化學(xué)性能。當(dāng)聚苯胺含量為12.3 wt%,在2 A g-1下充放電循環(huán)時(shí),硅/聚苯胺電極的首次比容量保持在1065.1 mAh g-1,50次循環(huán)后比容量保持在766.6 mAh g-1,保持率為首次比容量的72%。將包覆在納米硅的聚苯胺為碳源來制備硅/碳復(fù)合材料,研究了以聚苯胺為碳源對(duì)鋰離子電池硅基負(fù)極的電化學(xué)性能影響。結(jié)果表明,硅/聚苯胺復(fù)合材料經(jīng)過高溫分解后形成硅/碳復(fù)合材料,并保持了原有的核殼結(jié)構(gòu)在電流密度為1 A g-1下循環(huán)50次后,可逆比容量仍保持在672.2 mAh g-1。
【關(guān)鍵詞】：硅負(fù)極 鋰離子電池 制備工藝 包覆型硅/聚苯胺復(fù)合材料 硅/碳復(fù)合材料
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB332;TM912
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 緒論12-23
• 1.1 引言12
• 1.2 鋰離子電池的原理12-13
• 1.3 鋰離子電池負(fù)極材料研究現(xiàn)狀13-16
• 1.3.1 碳類材料14-15
• 1.3.1.1 石墨14
• 1.3.1.2 軟碳14
• 1.3.1.3 硬碳14-15
• 1.3.2 金屬及合金類材料15-16
• 1.3.2.1 金屬氧化物15
• 1.3.2.2 鋰金屬氮化物15-16
• 1.4 硅基負(fù)極材料的研究概述16-20
• 1.4.1 硅負(fù)極材料研究意義16
• 1.4.2 硅負(fù)極材料的儲(chǔ)能機(jī)理16-17
• 1.4.3 硅負(fù)極材料面臨的問題及解決方案17-20
• 1.4.3.1 納米結(jié)構(gòu)的硅材料17
• 1.4.3.2 制備工藝的優(yōu)化17-19
• 1.4.3.3 硅基復(fù)合材料19-20
• 1.5 導(dǎo)電聚苯胺的導(dǎo)電機(jī)理20-22
• 1.6 本論文的主要研究?jī)?nèi)容22-23
• 第二章 實(shí)驗(yàn)方法23-28
• 2.1 主要實(shí)驗(yàn)試劑及儀器23-24
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑23
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器23-24
• 2.2 材料的物理表征24-26
• 2.2.1 傅里葉變換紅外光譜24
• 2.2.2 X射線衍射24-25
• 2.2.3 熱重-差熱分析25
• 2.2.4 掃描電鏡顯微鏡25
• 2.2.5 透射電子顯微鏡25
• 2.2.6 比表面積分析25
• 2.2.7 電阻率分析25-26
• 2.2.8 X射線光電子能譜（XPS）分析26
• 2.2.9 激光顯微拉曼光譜分析26
• 2.3 材料的電化學(xué)性能表征26-28
• 2.3.1 電極制備及電池組裝26
• 2.3.2 循環(huán)伏安測(cè)試26-27
• 2.3.3 充放電測(cè)試27
• 2.3.4 交流阻抗法27-28
• 第三章 鋰離子電池硅負(fù)極的制備工藝及電化學(xué)性能28-60
• 3.1 導(dǎo)電劑對(duì)鋰離子電池硅負(fù)極性能的影響28-34
• 3.1.1 引言28
• 3.1.2 電極制備28
• 3.1.3 不同導(dǎo)電劑的物理表征28-30
• 3.1.4 電化學(xué)性能表征30-33
• 3.1.4.1 循環(huán)伏安分析30
• 3.1.4.2 恒流充放電分析30-33
• 3.1.4.3 交流阻抗分析33
• 3.1.5 導(dǎo)電劑Super p的含量對(duì)硅電極性能的影響33-34
• 3.2 粘結(jié)劑對(duì)鋰離子電池硅負(fù)極性能的影響34-42
• 3.2.0 引言34-35
• 3.2.1 電極制備35
• 3.2.2 納米硅的物理特性表征35-37
• 3.2.3 電化學(xué)性能的表征37-41
• 3.2.3.1 循環(huán)伏安分析37-38
• 3.2.3.2 恒流充放電分析38-39
• 3.2.3.3 倍率性能分析39-40
• 3.2.3.4 電極循環(huán)后的SEM分析40-41
• 3.2.4 粘結(jié)劑CMC的含量對(duì)硅電極的影響41-42
• 3.3 電解液添加劑對(duì)鋰離子電池硅負(fù)極性能的影響42-50
• 3.3.1 引言42-43
• 3.3.2 電解液配制43
• 3.3.3 電極的制備43
• 3.3.4 電化學(xué)性能的表征43-47
• 3.3.4.1 循環(huán)伏安分析43-44
• 3.3.4.2 恒流充放電曲線分析44-45
• 3.3.4.3 掃描電鏡分析45-46
• 3.3.4.4 交流阻抗分析46-47
• 3.3.5 FEC反應(yīng)機(jī)理研究47-48
• 3.3.6 FEC的含量對(duì)硅電極電化學(xué)性能的影響48-50
• 3.4 電子束沉積制備硅薄膜的工藝研究50-56
• 3.4.1 引言50
• 3.4.2 電極制備50
• 3.4.3 硅薄膜的物理性能表征50-52
• 3.4.3.1 XRD分析50-51
• 3.4.3.2 拉曼光譜分析51
• 3.4.3.3 SEM分析51-52
• 3.4.4 電化學(xué)性能的表征52-54
• 3.4.4.1 循環(huán)伏安分析52-53
• 3.4.4.2 恒流循環(huán)分析53-54
• 3.4.5 硅薄膜的厚度對(duì)其電化學(xué)性能的影響54-56
• 3.4.5.1 不同厚度硅薄膜的SEM圖54-55
• 3.4.5.2 循環(huán)性能分析55-56
• 3.5 模擬電池設(shè)計(jì)56-57
• 3.6 模擬電池的電化學(xué)性能57-58
• 3.7 本章小結(jié)58-60
• 第四章 包覆型硅/聚苯胺復(fù)合材料的合成及其性能表征60-77
• 4.1 引言60
• 4.2 包覆型硅/聚苯胺復(fù)合材料的制備60
• 4.3 電極制備60
• 4.4 聚苯胺在鋰離子電解液中的物理化學(xué)行為60-64
• 4.4.1 電導(dǎo)率的測(cè)試61
• 4.4.2 傅里葉紅外分析61-62
• 4.4.3 X射線光能譜分析62-63
• 4.4.4 循環(huán)伏安分析63-64
• 4.5 硅/聚苯胺復(fù)合材料的物理表征64-75
• 4.5.1 X射線衍射分析64-65
• 4.5.2 傅里葉紅外分析65-66
• 4.5.3 元素分布分析66-67
• 4.5.4 掃描電鏡分析67
• 4.5.5 透鏡電子顯微鏡分析67-68
• 4.5.6 熱重分析68-69
• 4.5.7 電化學(xué)性能表征69-75
• 4.5.7.1 循環(huán)伏安曲線分析69-70
• 4.5.7.2 首次充放電曲線70-72
• 4.5.7.3 倍率循環(huán)性能分析72-73
• 4.5.7.4 高倍率性能的分析73-74
• 4.5.7.5 交流阻抗分析74-75
• 4.6 本章小結(jié)75-77
• 第五章 硅/碳復(fù)合材料的合成及其性能表征77-89
• 5.1 引言77
• 5.2 硅/碳復(fù)合材料的制備77
• 5.3 電極的制備77-78
• 5.4 硅/碳復(fù)合材料的物理表征78-83
• 5.4.1 XRD分析78
• 5.4.2 傅里葉紅外分析78-79
• 5.4.3 EDS分析79-80
• 5.4.4 拉曼光譜分析80-81
• 5.4.5 SEM分析81-82
• 5.4.6 TEM分析82
• 5.4.7 熱重分析82-83
• 5.5 電化學(xué)性能表征83-87
• 5.5.1 循環(huán)伏安分析83-84
• 5.5.2 首次充放電曲線與循環(huán)性能84-86
• 5.5.6 倍率性能86-87
• 5.5.7 阻抗分析87
• 5.6 本章小結(jié)87-89
• 第六章 結(jié)論89-91
• 參考文獻(xiàn)91-98
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明98-99
• 致謝99-100

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