学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

高容量锂离子电池硅基材料的研究

作　者: 蔡杰健
导　师: 尹鸽平
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 锂离子电池硅/碳复合材料硅/聚苯胺复合材料 SEI膜
分类号: TM912.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 150次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载

内容摘要

单质硅具有较高的理论比容量以及丰富的资源,在对新能源需求日益强烈的今天而倍受关注。但是硅在脱嵌的过程中会发生巨大的体积膨胀,导致材料的循环性能的恶化,从而阻碍了它的实用化。本文在综述了硅基材料研究现状的基础上,采用高温固相合成法制备硅/石墨/碳复合材料,并通过液相法制备了纳米硅/聚苯胺复合材料,进一步提高硅材料的电化学性能。通过高温固相法制备硅/石墨/碳(质量比为25:45:30)复合材料,研究了石墨的种类、粒径分布、极片热处理以及添加锂盐等工艺对电极循环性能的影响。研究发现,采用电化学性能较好的鳞片状石墨、对粒径进行一定的划分,能够使复合材料具有较好的电化学性能,其首次脱锂比容量可达774.2mAh·g-1,首次效率为81.8%,50次循环后容量保持率为98.2%。将硅/石墨/碳复合材料应用于锂离子电池负极,设计容量为800mAh的方形053648A电池,首次放电容量可达721mAh。通过光电子能谱、扫描电子显微镜、电化学阻抗等分析手段,对硅电极的表面固体电解质界面膜(SEI膜)进行了研究。研究发现,硅在首次还原过程中能够生成SEI膜,其形成电位与成分均与石墨类碳材料相似,但是由于硅在脱嵌锂过程中的体积效应,导致其表面SEI膜经历一个生成、破坏、修复、再破坏、再生成的一个过程。在硅表面SEI膜的研究基础上,进而在硅/石墨/碳复合材料和膏过程中添加无机锂盐、有机锂盐以及表面活性剂,对复合材料进行表面改性,发现单纯添加无机锂盐无法提高材料的电化学性能;而添加十二烷基磺酸钠则对材料的循环性能有较大的提高,首次脱锂比容量为781.2mAh·g-1,50次循环容量保持率达94.2%。在水-乙醇溶剂、微乳液体系通过苯胺聚合反应制备纳米硅/聚苯胺(nSi/PANi)复合材料。研究发现,在水-乙醇体系中制备的nSi/PANi-1复合材料具有1940.3mAh·g-1的脱锂比容量,首次效率为64.3%,25次循环后容量保持率为91.5%;采用微乳液制备的nSi/PANi-2复合材料具有2320.2mAh·g-1的首次脱锂比容量,首次效率为60.6%,30次循环后容量保持率为92.3%;通过重氮化处理,将苯胺单体嫁接至纳米硅表面,进而进行苯胺聚合制备的Si/PANi-3复合材料,具有2408.7mAh·g-1的首次脱锂比容量,首次效率为64.0%,40次容量保持率为74.0%。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-23
  1.1 引言  10
  1.2 锂离子电池概况  10-17
    1.2.1 锂离子电池的工作原理  11-12
    1.2.2 锂离子电池正极材料的研究概况  12-14
    1.2.3 锂离子电池负极材料的研究概况  14-17
  1.3 硅基负极材料的研究概况  17-22
    1.3.1 单质硅  17-18
    1.3.2 硅-金属合金  18-19
    1.3.3 硅-非金属化合物  19-20
    1.3.4 硅氧化物  20-21
    1.3.5 硅基材料电极工艺的改进  21-22
  1.4 本文的研究目的和内容  22-23
第2章实验材料与研究方法  23-30
  2.1 实验药品与仪器  23-24
    2.1.1 实验药品与材料  23-24
    2.1.2 实验仪器与设备  24
  2.2 材料的制备  24-26
    2.2.1 高温固相热解法制备硅/石墨/碳复合材料  24-25
    2.2.2 水-乙醇体系制备纳米硅/聚苯胺复合材料  25
    2.2.3 微乳液体系制备纳米硅/聚苯胺复合材料  25-26
  2.3 物理测试  26-28
    2.3.1 X射线粉末衍射(XRD)  26
    2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)  26
    2.3.3 透射电子显微镜(TEM)  26-27
    2.3.4 X射线光电子能谱(XPS)  27
    2.3.5 傅利叶变换红外光谱测试(FT-IR)  27
    2.3.6 四探针电导率(阻)测试  27-28
  2.4 电极制备及电池装配  28-29
    2.4.1 电极制备  28
    2.4.2 电池装配  28-29
  2.5 电化学性能测试  29-30
    2.5.1 恒电流充放电测试  29
    2.5.2 循环伏安测试  29
    2.5.3 交流阻抗谱测试  29-30
第3章高温固相合成法制备硅/石墨/碳材料  30-48
  3.1 单质硅的性能研究  30-32
    3.1.1 单质硅的结构及形貌特征  30-31
    3.1.2 单质硅的电化学性能  31-32
  3.2 Si/G/C复合材料  32-35
    3.2.1 Si/G/C复合材料的形貌及结构表征  33-34
    3.2.2 Si/G/C复合材料的电化学性能  34-35
  3.3 石墨对Si/G/C复合材料的影响  35-37
    3.3.1 石墨的形貌及电化学性能表征  35-36
    3.3.2 Si/G(HMG, MAGD)/C的电化学性能  36-37
  3.4 粒径分布对Si/G/C复合材料的影响  37-39
    3.4.1 Si/G/C S1~3 材料的形貌表征  38
    3.4.2 Si/G/C S1~3 材料的电化学性能  38-39
  3.5 极片热处理对Si/G/C复合材料的影响  39-42
    3.5.1 热处理前后极片的形貌表征  40
    3.5.2 热处理前后极片的电化学性能表征  40-42
  3.6 固化步骤添加LiOH对Si/G/C复合材料的影响  42-46
    3.6.1 氢氧化锂处理材料的形貌及结构表征  43-45
    3.6.2 氢氧化锂处理材料的电化学性能表征  45-46
  3.7 Si/G/C复合材料的全电池设计及性能测试  46-47
  3.8 本章小节  47-48
第4章硅表面SEI膜形成及修饰的研究  48-68
  4.1 单质硅表面SEI过程的研究  48-62
    4.1.1 单质硅的首次和第二次循环伏安特性及表面元素分析  48-50
    4.1.2 首次嵌锂不可逆过程  50-52
    4.1.3 首次嵌锂过程  52-55
    4.1.4 首次脱锂过程  55-57
    4.1.5 第二次嵌锂过程  57-59
    4.1.6 第二次脱锂过程  59-62
  4.2 添加无机锂盐对Si/G/C复合材料的影响  62-64
  4.3 添加有机锂盐或有机物对Si/G/C复合材料的影响  64-66
  4.4 本章小结  66-68
第5章纳米硅/聚苯胺复合材料  68-83
  5.1 聚苯胺的性质  68-71
    5.1.1 聚苯胺的结构及形貌表征  68-70
    5.1.2 聚苯胺的电化学性能表征  70-71
  5.2 水-乙醇体系制备nSi/PANi复合材料的研究  71-74
    5.2.1 nSi/PANi-1 复合材料的结构及形貌表征  71-72
    5.2.2 nSi/PANi-1 复合材料的电化学性能测试  72-74
  5.3 纳米硅/聚苯胺热解碳复合材料(nSi/C)的研究  74-76
    5.3.1 nSi/C复合材料的形貌表征  74-75
    5.3.2 nSi/C复合材料的电化学性能测试  75-76
  5.4 微乳液法制备纳米硅/聚苯胺复合材料的研究  76-78
    5.4.1 微乳液法制备nSi/PANi-2 复合材料的形貌表征  76-77
    5.4.2 微乳液法制备nSi/PANi-2 复合材料的电化学性能表征  77-78
  5.5 重氮法制备nSi/PANi复合材料的研究  78-81
    5.5.1 重氮法制备nSi/PANi-3 复合材料的结构和形貌表征  79-80
    5.5.2 重氮法制备nSi/PANi-3 复合材料的电化学性能测试  80-81
  5.6 本章小结  81-83
结论  83-84
参考文献  84-89
攻读硕士学位期间发表的学术论文  89-91
致谢  91

高容量锂离子电池硅基材料的研究

内容摘要

全文目录

相似论文