鋰離子電池Si基復(fù)合材料Si-TiO2及Si-TiO2-C的制備和電化學(xué)性能研究.pdf

1、硅作為很有發(fā)展?jié)摿Φ匿囯x子電池負(fù)極材料,自從首次被提出來以后吸引了眾多的研究人員,首先是因?yàn)樗睦碚摫热萘扛哌_(dá)4200 mAh g-1,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)負(fù)極材料石墨的理論比容量(372 mAh g-1)。此外,硅具有較低的嵌鋰電位(低于0.5 V),并且在地殼中具有很高的相對(duì)豐度(26.3％)。但是,硅材料在嵌脫鋰過程中存在嚴(yán)重的體積膨脹和收縮(體積變化可達(dá)300%),易于導(dǎo)致硅粒破裂和粉化,導(dǎo)致硅粒子間及硅粒子與導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)之間發(fā)生分離,進(jìn)而失

2、去電接觸,致使容量迅速衰減,循環(huán)性能變差,這些阻礙了硅材料的廣泛應(yīng)用。
　　為了克服硅的容量快速衰減的問題,全世界的科學(xué)家們針對(duì)納米硅材料和硅基復(fù)合材料做了大量研究。納米硅循環(huán)性能的提高可以歸因于其絕對(duì)體積變化的減小。最近,一些科學(xué)家嘗試制成硅與石墨、石墨化碳材料或其它碳材料、Ag、TiN、Si3N4等活性或非活性基體的復(fù)合材料,在一定程度上提高了硅基材料的循環(huán)性能。然而,這些方法只是在一定程度上提高了硅的循環(huán)性能,甚至一些方法還

3、以犧牲比容量為代價(jià),離實(shí)用化的要求還有一段距離。
　　納米過渡金屬氧化物負(fù)極材料是新一代鋰離子電池發(fā)展的重要方向,用于鋰離子電池可以顯著提高電池的倍率充放電性能和比容量。過渡金屬氧化物TiO2由于價(jià)格低廉、無毒和無污染等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。納米 TiO2在充放電過程中具有結(jié)構(gòu)變化很小、極化程度低等優(yōu)勢(shì),從而具有良好的循環(huán)性能、可逆性和安全性能,顯示出較大的應(yīng)用價(jià)值。然而,TiO2理論比容量只有335 mAh g-1,接近于商業(yè)化石墨的

4、理論比容量(372 mAh g-1),不能滿足今后高容量鋰電池的發(fā)展需求。因此利用 Si和 TiO2之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),制備電化學(xué)性能優(yōu)異的Si/TiO2復(fù)合材料具有強(qiáng)大的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
　　最近已經(jīng)有很多研究人員嘗試去利用Si和TiO2之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),制備電化學(xué)性能優(yōu)異的Si/TiO2復(fù)合材料。Zeng等人通過溶膠凝膠法在銅片表面制備介孔Si/TiO2薄膜,介孔狀的TiO2成功抑制了Si的體積膨脹。然而,通過溶膠凝膠法在集流體

5、上制備復(fù)合材料薄膜這種方法很難在實(shí)際中應(yīng)用。Kim等人通過溶膠凝膠法在 Si表面包覆了一層TiO2,但只經(jīng)過了20周循環(huán),放電比容量便迅速衰減到了400 mAh g-1。
　　本文利用簡(jiǎn)單的水熱法制備出Si/TiO2復(fù)合材料,相比于單純的Si,Si/TiO2復(fù)合材料在循環(huán)穩(wěn)定性方面都有很大的提高,這主要?dú)w功于Si表面的TiO2包覆層對(duì)Si的體積變化起到了緩沖層的作用。另外,TiO2也為Si/TiO2復(fù)合材料提供了一定得電化學(xué)活性。

6、
　　利用Si和TiO2的復(fù)合雖然可以在一定程度上提高Si的循環(huán)穩(wěn)定性,但是,因?yàn)門iO2和Si都是半導(dǎo)體材料,致使Si/TiO2復(fù)合材料導(dǎo)電性較差,Si的可逆容量不能完全表現(xiàn)出來。因此,我們?cè)谥苽銼i/TiO2復(fù)合材料的過程中引入導(dǎo)電性很好的碳材料。一方面,碳材料可以很好的提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性,使Si的可逆容量完全發(fā)揮出來;另一方面,碳材料也可以在很大程度上緩沖Si在重復(fù)充放電過程中的巨大體積效應(yīng)。
　　本文我們通過水熱法

7、制備出了Si/TiO2復(fù)合材料,用溶膠凝膠法制備了Si/TiO2/C復(fù)合材料,并測(cè)試了其物理性質(zhì)和電化學(xué)性能,主要完成了以下幾個(gè)方面的工作。
　　1.采用水熱法制備出Si/TiO2復(fù)合材料。采用X射線衍射(XRD)、激光拉曼光譜儀(Raman)、掃描電子顯微鏡(SEM)和等離子體電感耦合發(fā)射光譜儀(ICP)對(duì)Si/TiO2復(fù)合材料進(jìn)行了物理性能表征。研究了Si/TiO2復(fù)合材料的電化學(xué)性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與單純的TiO2相比,Si