硅、锡基锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能

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伴随生活节奏的变化,人们对新能源储能的要求也越来越高,高能锂离子电池以能量密度高、无记忆效应、安全环保并且循环寿命长等特点,而备受关注,成为研究热点。本论文主要研究锂离子电池负极材料,目前商业常用负极材料是石墨,其循环稳定,但理论比容量只有372 mAh g-1,难以满足时代发展的需求,而锡基、硅基材料凭借自身资源储量大、成本低廉以及高理论比容量等特点,有望成为取代石墨的下一代锂离子(Li-ion)电池负极材料。然而锡基、硅基负极材料在充放电过程中会受到导电性差和体积效应的影响,导致其循环性能不稳定。为了克服此类问题,本论文通过不同方法制备无定形碳与锡基、硅基的复合材料,或制备多孔结构材料缓解体积应力,主要研究工作如下:(1)取用五水四氯化锡作为锡源,氧化石墨烯(GO)和葡萄糖(C6H12O6)为碳源,采用水解法和水热处理,合成SnO2/C复合材料,并对复合物进行结构的表征、微观形貌的分析及电化学性能测试。实验表明,SnO2均匀分散于无定形碳材料里,复合物循环100圈后放电比容量可达542 mAh g-1。相比于纯SnO2纳米材料,无定形碳材料能够抑制氧化锡颗粒的体积效应,提高整体材料的导电能力,同时改善材料的循环稳定特性。(2)采用低温熔盐法大规模合成多孔硅纳米晶体,详细研究合成的样品经盐酸和氢氟酸腐蚀后的晶体形貌和电化学性能;以制备的硅样品为电极,对其电化学性能和循环稳定性进行研究。结果表明,少量SiO2与Si样品共存有利于提高样品的循环稳定性,因为少量的SiO2可以缓和Si在嵌锂/脱锂过程中的体积变化。氢氟酸腐蚀后去除了二氧化硅杂质,但所得样品的电化学性能较差。含少量SiO2的Si样品电极在1 A g-1的较高倍率电流密度时,循环50次后仍可提供1503.8mAh g-1的放电比容量且库伦效率接近100%。然而,氢氟酸腐蚀后的硅样品电极在1 A g-1时,循环50次后仅提供389.2 mAh g-1的放电比容量。(3)为了提高Si粉的导电性,采用低温熔盐法一步合成硅/还原氧化石墨烯/碳纳米管的复合材料;制备Si/rGO/CNT/C电极,在0.1 A g-1的电流密度下,循环300圈,仍有335.7 mAh g-1的可逆比容量,比容量保持率为46.5%,且库伦效率接近100%。(4)用水合肼作还原剂,采用水热法还原制备rGO/CNT/硅藻土前驱体;通过低温熔盐法还原硅藻土,制备类核壳结构的rGO/CNT/Si/C电极,在变倍率循环至100圈时,仍能保持393.8 mAh g-1的放电比容量,比容量保持率为53.5%。
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