锂离子电池负极硅材料的制备及性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dingwenqi65118290
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锂离子电池负极材料中,硅材料具备较高的理论容量,在发展高容量大功率电池方面具有很大的潜力。然而,硅材料严重的的体积效应会导致其电化学性能的急剧衰减。本文阐述了锂离子电池中负极硅材料的研究现状,并从三个方面对其进行改性:(1)改变硅材料自身结构:利用机械球磨法和高温固相合成法制备多孔硅复合材料。(2)改进材料组成:采用化学镀铜包覆硅。(3)改善材料组分:优选硅/碳复合材料中的热解碳比例。  将气相SiO2和Al粉进行球磨混合,通过高温固相反应制备出具有多孔结构的硅材料。将硅材料与石墨按不同比例混合,得到硅/石墨复合材料。电化学测试发现:硅/石墨比例为1:1电化学性能最佳:首次脱锂容量为913.0 mAh·g-1,循环28次后容量保持在570.6 mAh.g-1,比纯硅粉的性能有很大提高。  采用化学镀的方法,对单质硅进行镀铜包覆。研究了化学镀时间、热处理温度、钝化等因素对材料性能的影响,优选出了最佳的条件——化学镀的最佳时间为0.5 h,还原剂采用甲醛,并采用钝化剂苯丙三氮唑抑制铜的氧化。将得到的材料进行了电化学测试,首次嵌锂容量为841.9 mAh·g-1,首次效率为51.2%,22次循环后容量保持在564.9 mAh·g-1,容量保持率为74.5%。材料进行热处理后,容量保持率提高到83.6%。同时研究了硅粉粒度、球磨 Si/Cu比例对材料性能的影响,并采用沥青热解碳对 Si/Cu进行包覆,得到 Si/Cu/C材料容量50次循环后保持率提高到93.6%。  通过高温固相热解法制备了硅/碳复合材料,并分别对硅/碳、硅/石墨/碳、硅/碳/石墨/碳等三种类型的沥青包覆硅材料的五种配比作了研究。材料最佳比例依次为25:15,25:45:30和25:10:30:20。其中,性能最好的硅/石墨/碳比例为25:45:30,首次嵌锂容量为688.4 mAh·g-1,首次库仑效率为81.8%,循环50次后容量保持在519.3 mAh·g-1,容量保持率为75.4%。同时,也研究了热处理以及涂层厚度对材料性能的影响。热处理后材料循环性能提高,涂层增厚不会影响材料循环性能,循环容量略低一些。
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