【摘 要】
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清洁高效的锂离子电池已经广泛应用于生活的各方面。但是,目前商业化的碳负极材料由于比容量偏低,已渐渐不能满足高速发展的社会对能源的需求。因此高容量、高比能、循环稳定
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清洁高效的锂离子电池已经广泛应用于生活的各方面。但是,目前商业化的碳负极材料由于比容量偏低,已渐渐不能满足高速发展的社会对能源的需求。因此高容量、高比能、循环稳定的锂离子电池负极材料是目前开发的热点。在诸多高比能负极候选材料中,Si因在室温下嵌锂时形成Li15Si4合金,其理论储锂容量为3579mAhg-1,几乎是石墨负极的10倍,已使其成为最有潜力的商业化负极材料之一。但是Si在嵌脱锂时巨大的体积效应,导致电极结构易崩塌、粉碎,破坏原有的导电网络,使得电极容量快速衰减,循环性能变差。为解决Si负极材料循环稳定性差的问题,本文采用激光烧结制备复合化和纳米化的Si-Sn负极材料来缓解Si充放电时的体积效应。采用激光烧结法制备了Si-Sn锂离子电池负极。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、电化学工作站和电池测试系统,系统分析了激光扫描速度对电池负极微观组织和电化学性能的影响。结果表明,不同激光扫描速度下电池负极皆是由分布于Si基体上的颗粒状Sn组织所构成。随着激光扫描速度的增加,组织中Sn颗粒数量逐渐增多,表面微裂纹逐渐减少,电极片的结构完整性越来越好。当激光扫描速度为60mm/s时,电池负极具有最佳的电化学性能,其在100mAg-1的电流密度下,首次可逆容量和首次库伦效率相较未激光烧结的试样分别提高了130mAhg-1和12.30%,且其电化学阻抗也有明显降低。为进一步改善Si-Sn锂离子电池负极的电化学性能,选取粒度约为20nm的Si取代微米尺度的Si,在上述优化参数下激光烧结制备Nano-Si-Sn锂离子电池负极。结果表明,Si粉体粒度的改变并未导致电极的相组成发生相应改变,其仍是由Si和Sn两相所组成。但因纳米颗粒高的表面能,在电极局部微区出现了纳米Si团聚现象。Nano-Si-Sn锂离子负极不仅具有良好的结构完整性,而且其在100mAg-1的电流密度下循环充放电的首次库伦效率即可达到65.02%,10次循环后库伦效率保持在95%以上,100次循环后的可逆容量仍在300mAhg-1,与微米级Si-Sn锂离子电池负极相比,其电化学性能得到明显提高。
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