锂离子电池二氧化硅/碳负极材料的研究

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清洁能源的使用是解决环境污染和能源危机等问题的重要方式,同时随着便携式电子设备使用的急剧增加,传统电池的容量已无法满足市场需求,容量高、环境友好的锂离子电池备受关注。在负极材料方面,成本低、无污染、理论比容量高的SiO2材料有潜力成为石墨负极材料的替代品。但由于体积膨胀、低导电性和低库伦效率等问题,使SiO2材料商业化应用受到严重的阻碍。为了改善SiO2材料的缺陷,更好地推动其商业化应用,本论文采用了氢键自组装的方法将SiO2原位负载到中间相碳微球(Mesocarbon Microbeads,MCMB)表面,制备出二氧化硅/石墨复合材料,并对没有氧化和氧化后MCMB和二氧化硅/石墨复合材料的物理性能和电化学性能进行了表征和分析。本文首先采用混酸将MCMB分别进行氧化处理2 h、5 h、8 h、10 h和12 h,材料经过氧化后,活性位点和缺陷更多,材料可逆比容量从没有氧化的280 m Ah g-1增加到350 m Ah g-1左右;MCMB表面含氧量也在增加,从没有氧化的0.87%增加到13.05%。由于表面含氧量增加,锂离子与含氧基团发生副反应,同时比表面积增加,形成更多的固体电解质膜(Solid Electrolyte Interface,SEI膜),导致材料首圈库伦效率降低。采用氢键自组装的方法将SiO2原位负载到MCMB表面,确定了复合材料中SiO2含量随着MCMB表面的含氧量增加而增加,同时也探究了制备过程中氨水与水的比例和正硅酸乙酯(Tetraethyl Orthosilicate,TEOS)的用量对SiO2含量的影响。综合考虑氧化后MCMB的可逆比容量、实验条件和后续处理等方面因素,选择SiO2含量为17.9%的SiO2/O’MCMB10复合材料作为电化学性能和后续实验的对象。但是,循环性能检测发现SiO2/O’MCMB10复合材料的可逆比容量(200 m Ah g-1)比O’MCMB10(340 m Ah g-1)要低,没有充分的发挥复合材料的优势。通过对SiO2/O’MCMB10复合材料进行无定形碳包覆,制备了一种新型无定形碳/二氧化硅/氧化中间相碳微球(C/SiO2/O’MCMB10)三层核壳结构的负极材料,其中SiO2在球形石墨和无定形碳壳之间,有效地缓解了SiO2的体积膨胀。此外,外层无定形碳有效地提高材料的导电性,有利于形成稳定的SEI膜。C/SiO2/O’MCMB10复合材料在第一次循环中可逆容量为459.5 m Ah g-1,首圈库伦效率为62.8%,经过300次循环后,容量提升至600 m Ah g-1,表现出优异的电化学性能。
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