硅-碳-陶瓷納米復合鋰離子電池負極材料的制備及性能研究.pdf

1、硅具有比容量高、充放電平臺低、資源豐富、安全性好等優(yōu)點，成為最有潛力的鋰離子電池負極材料之一。但硅本身存在體積膨脹問題和導電性差的問題決定了其使用壽命短、循環(huán)性能差的特點。目前常用制備硅基負極材料的方法主要有三類，一是將硅的尺寸納米化，制備納米顆粒，納米線和納米管等，減小絕對體積變化；二是將硅與碳、金屬、非金屬等緩沖基質復合，制備復合材料，增強導電性，抑制SEI膜形成；三是通過構筑多層次結構，緩解體積膨脹，改善硅材料壽命。其中陶瓷基質經(jīng)

2、常被應用于吸收硅體積膨脹產(chǎn)生應力，但是目前技術所采用的陶瓷往往不具備儲鋰電活性，從而犧牲負極材料容量。而且與碳基質之間往往存在相分離、結合性差等弱點，不能有效地起到共同吸收應力，穩(wěn)定電極結構。為了解決上述問題，本文首先探討了鋰離子電極材料中黏結劑種類的選擇和含量優(yōu)化等問題。其次運用高溫裂解法，以不飽和聚酯熱固性樹脂作為碳源和反應介質，以硅烷偶聯(lián)劑作為陶瓷前驅體，成功制備了不同比例的硅/碳復合材料和硅/硅氧碳/碳復合材料，研究了所得材料的

3、物相組分以及電化學相關性能。硅/硅氧碳/碳復合材料可以有效緩解硅在脫嵌鋰過程中帶來的體積效應，從而提高硅基負極材料的電化學性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴實驗表明，當海藻酸鈉黏結劑含量為20％時，純硅負極鋰離子電池的可逆比容量和首次庫倫效率達到最優(yōu)。采用海藻酸鎂作為水性黏結劑，能夠有效改善硅基電極的循環(huán)性能和倍率性能。在200 mAh?g-1電流密度下進行100次循環(huán)，容量仍保持在1500mAhg-1左右，電極結構基本保持完整。

4、⑵通過聚合物高溫裂解成碳，以不飽和聚酯熱固性樹脂作為碳源，成功制備了不同比例的硅/碳復合材料。在200mAhg-1電流密度下，樣品Si/C-0.1、Si/C-0.2、Si/C-0.4和Si/C-0.8硅/碳復合材料制備的鋰離子電池首次放電比容量分別為493mAh?g-1、1395 mAhg-1、1267 mAh?g-1和1509 mAhg-1。隨著復合材料中硅含量的增加，樣品Si/C-0.1、Si/C-0.2、Si/C-0.4和Si/C

5、-0.8的循環(huán)穩(wěn)定性依次升高。經(jīng)過200次后循容量保持率分別為93.6%、16%、22.7%和28.2%。其中，樣品Si/C-0.8復合材料的電化學性能最佳，在1000 mAh?g-1電流密度下進行恒電流充放電測試，可逆比容量維持在600 mAhg-1。⑶在硅/碳復合材料的研究基礎上，以硅烷偶聯(lián)劑作為納米陶瓷粒子前驅體，成功制備了硅/硅氧碳/碳復合材料。研究結果表明納米陶瓷粒子的添加，一定程度上改善了硅/碳復合材料的力學性能。在2000