硅基鋰離子電池薄膜負極材料的電化學性能研究.pdf

1、鋰離子電池自上世紀九十年代商業(yè)化應用以后，作為一種最具潛力的電池被廣泛應用于各種移動電子設備，當前電動汽車領域和分布式儲能領域亟需高能量密度和高功率密度的長壽命穩(wěn)定安全的二次電池，目前在用的鋰離子電池很難滿足這些領域的應用需求。硅作為一種潛在的負極材料，其超高的理論比容量（～4200 mAhg-1，Li22Si5相）和相對較低的對鋰電位（～0.5 V），使其具有制成高能量密度鋰離子電池的可能性，而且通過對Si負極經(jīng)過恰當?shù)慕Y構設計也有可

2、能實現(xiàn)高功率密度的要求。
　　Si負極的最大缺點是脫嵌鋰前后體積變化巨大（高達～400％），易粉化開裂，表面不能形成穩(wěn)定的SEI膜；自身導電性不良（半導體），鋰離子在其中的遷移速率不高。以上問題的解決思路基本都是納米化和復合，由于C材料優(yōu)異的電化學性能，復合材料中往往少不了C。
　　本論文的解決方案是：采用磁控濺射手段制備硅碳納米多層膜或復合膜，借此減小 Si的尺寸，并以 C作為 Si膨脹的緩沖層及電子導電物，抑制 Si的粉

3、化；另復合一定量的Li+輸運電解質，如 Ti、TiO2、Li4Ti5O12、LiTi2P3O12等物質，增加Li+的輸運效率，提高Si負極薄膜材料的倍率特性。
　　本論文得到的結果是：
　　1、Si/C納米多層膜：制備了具有Ti過渡層和C保護層的500 nm厚硅碳調制周期分別為4/1和3/1及1.5μm厚調制周期為4/1的Si/C多層薄膜，與純 Si薄膜相比，多層膜結構很好地緩解了 Si體積脹縮導致的開裂粉化問題，500 n

4、m厚調制周期為4/1的多層膜表現(xiàn)出了較好的循環(huán)特性及倍率特性，首次放電比容量高達2940 mAhg-1，首次庫侖效率為95%，經(jīng)166次循環(huán)后，放電比容量保持率為95%，這說明薄膜表面沉積的C層很好地保護了Si活性材料，避免了Si與電解液的直接接觸；由于濺射沉積的薄膜致密。Li+沿薄膜縱向擴散困難，沉積較厚的薄膜電化學性能較差，為此我們在多層膜的Si層復合了一定量的快速鋰離子輸運物質：在Si層中復合了適量的金屬Ti起到了改善薄膜電化學性

5、能的作用，倍率性明顯好于相同厚度沒有摻雜 Ti的Si/C多層膜，在2C的充放電倍率下還能夠保持1000 mAhg-1左右的比容量。
　　2、多層膜結構中由于 C輸運層是橫向的，似乎無法實現(xiàn)在縱向的Li+輸運，故此我們采用濺射法制備了納米 Si顆粒鑲嵌于 C網(wǎng)絡基體中的Si(C)納米復合薄膜。我們預期這種結構的薄膜有比較好的電子、離子導電性，再復合適量的高鋰離子輸運物質，將極大地改善薄膜中Li+的縱向輸運能力。具有Ti→C梯度過渡層