锂离子电池硅负极材料的制备及储锂性能研究

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硅负极材料由于理论比容量高(3579 mAh g-1)、安全性好、环境友好且价格低廉的优点而受到人们的广泛关注,被认为是最有潜力的锂离子电池负极材料。但是这类材料在锂化和去锂化过程中会产生巨大的体积效应,造成材料的破碎与粉化,导致材料的循环性能变差。因此,需要对其进行改性研究,提高材料的电化学性能。主要的研究内容和结果如下:(1)以纳米硅、改进的Hummer′s法制得的氧化石墨为原料,采用水热还原-低温热处理法制备Si@rGO复合材料。研究了水热反应温度、水热反应时间、PVP用量及复合比例等参数对材料性能的影响。测试结果表明,当水热反应温度为160℃,水热反应时间为10 h,PVP添加量为0.4 g,硅和氧化石墨质量比为1:2时,复合材料的电化学性能较好。在优化条件下,材料的首次可逆比容量为1195.6 mAh g-1,50次循环后电极可逆比容量为864.6 mAh g-1,容量保持率为72.3%。电流密度为2000 mA g-1时,复合材料的可逆比容量依然高达911.1 mAh g-1,倍率性能良好。(2)采用硅烷对纳米硅进行表面改性处理,并探讨不同包覆方式对Si@SiOx复合材料性能的影响,制备Si@SiOx@rGO复合材料。结果表明,氧化硅的存在提高了材料的界面稳定性,有效缓解了硅的体积变化。在优化条件下,Si@SiOx@rGO复合材料表现出良好的电化学性能,首次可逆比容量提高达1432.2 mAh g-1,50次循环后,复合材料的可逆比容量为1039.4 mAh g-1,容量得到明显提升,且循环性能较好。交流阻抗测试结果表明,硅烷改性后材料的电化学转移阻抗明显减小。(3)采用溶胶-凝胶法制备Si/TiO2复合材料。探讨了复合比例对材料性能的影响。电化学测试结果表明,当硅含量为15%时的Si/TiO2复合材料表现出较好的电化学性能,其首次可逆比容量为720.9 mAh g-1,200次循环后,复合材料的可逆比容量为730.4 mAh g-1,循环性能十分稳定。TiO2骨架有利于提高材料结构的稳定性,有效缓解硅材料在充放电过程中的体积效应,进一步提高复合材料的导电性,提升其倍率性能。循环后,电极表面较为平整,裂纹较少,电极结构保持较为完整。
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