鋰離子電池硅基負極用關鍵材料的研究.pdf

1、鋰離子電池結構主要由電極、隔膜、電解液三部分組成，其中電極作為鋰離子電池的核心部分，對鋰離子電池的性能起決定性作用。電極主要由活性材料、導電劑、粘結劑組成。之前的研究中，活性物質作為鋰離子電池的核心材料備受研究人員關注，而導電劑與粘結劑作為鋰離子電池中使用量最少的材料，所受關注相對較少。導電劑與粘結劑在電極中用量雖少，但起到的作用卻不容忽視，這一點在高容量負極中尤其明顯。
　　對于高容量負極，活性材料在鋰離子電池充放電過程中的較大

2、的體積變化會造成電極中導電通道斷開、活性層與集流體分離等問題，造成鋰離子電池容量大幅衰減。采用新型導電劑與粘結劑可以在對電池成本影響較小的前提下緩解或解決這些問題。因此，本論文希望通過對導電劑和粘結劑的開發(fā)和改善，來提升高容量負極的電性能。
　　論文首先確定了一個適合高容量負極的基本電池裝配工藝。結合之前的研究，高容量負極在充放電循環(huán)中變化與傳統(tǒng)的碳基材料不同，傳統(tǒng)的電池工藝無法發(fā)揮出高容量負極的性能。因此我們通過多次嘗試找到了比

3、較適合高容量負極的電池工藝，并選用了納米硅作為負極的活性材料，以此為基礎來研究導電劑與粘結劑。
　　導電劑方面我們開發(fā)出了二維納米材料與三維納米材料復合的導電劑，以適應高容量負極材料。二維納米材料我們選用了酸化（羧基功能化）多壁碳納米管。制備了酸化多壁碳納米管，在表面引入缺陷與接枝羧基、羥基等基團的同時，因多壁碳納米管的多通道傳輸特性，保證了碳納米管的導電性。羧基引入的作用有兩點，一是極大的改善了碳納米管的分散性，保證了極片長程導

4、電網絡的暢通;二是增強了碳納米管與粘結劑之間的結合力。三維納米材料我們選用了SP，SP的比表面積較大，增大了導電劑與活性材料的接觸面積。
　　與傳統(tǒng)的SP導電劑相比，0.1C放電倍率下，混合導電劑將鋰離子電池的首次放電比容量從1938 mAh g-1提升為2927 mAh g-1，首次庫倫效率從79.2％提升到81.9％，100次循環(huán)后的容量保持率由59％提升到74.3％。
　　粘結劑方面我們首次使用陰離子聚丙烯酰胺(APA

5、M)作為鋰離子電池粘結劑。APAM作為粘結劑有以下優(yōu)點。一是水溶性好，環(huán)境友好。二是含有羧酸及羧酸鹽基團，能夠與金屬活性材料和金屬集流體具有更強的結合力。三是分子量較大，可以較好的緩沖活性材料的體積膨脹。四是分子中含有大量的酰胺基，可形成大量的分子間和分子內氫鍵，增強了APAM的自修復能力。
　　本論文對比了不同分子量的APAM與不同刷片配比對納米硅負極電池性能的影響。結果顯示當使用1600萬分子量的APAM(APAM16)作為粘