鋰離子電池硅基材料結構設計與制備研究.pdf

1、硅作為鋰離子電池負極材料的理論比能量高達4200mAh/g，但是在嵌鋰過程中其體積會發(fā)生急劇膨脹，造成循環(huán)性能差、SEI膜不斷破裂修復等諸多問題，從而限制商業(yè)化。為真正克服硅膨脹的難題，必須通過巧妙的結構設計，形成微納混合結構，同時顆粒內(nèi)部預留一定空體積以容納硅的體積膨脹。本文先從刻蝕制備多孔硅著手，為后期材料制備打基礎；然后設計并制備了類石榴結構和中空多孔核殼結構硅基材料。通過XRD、SEM、BET等手段表征了材料的結構特征，同時采用

2、恒流充放電和交流阻抗評價其電化學性能。
　　采用Ag/HF-H2O2體系刻蝕硅能成功制備出多孔硅，然而其循環(huán)性能依然很差；采用Ag/HF-H2O2體系刻蝕SiO，溶劑為水/乙醇(1:1)且HF濃度為5mol/L時刻蝕效果較好；采用Cu/HF-H2O2體系和Cu/HF-Fe3+體系刻蝕硅均只能在硅表面刻蝕出淺孔。NaOH刻蝕歧化SiO制備出的多孔材料，首次可逆容量為793mAh/g，30次循環(huán)容量保持率為72.9％。
　　通過

3、歧化、刻蝕、碳包覆的技術路線制備類石榴結構硅基材料，并研究了各步驟的工藝條件及對性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，為確保SiO發(fā)生歧化，溫度至少得升至900℃；HF刻蝕歧化SiO可以制備出相互交聯(lián)的多孔結構。同時，詳盡研究了物料裝載量、乙炔氣體流速、包覆溫度與時間對乙炔氣相碳包覆的的影響。
　　以聚苯胺為碳源制備中空多孔核殼結構硅基材料，并進一步優(yōu)化了結構參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，碳殼增厚和空體積增大均利于循環(huán)性能提高。將20%石墨與HF-mSiO@C

4、材料混合后可將100次容量保持率提升至95.2%。通過選用蔗糖為碳源，可將制備步驟簡化為球磨、歧化+碳化、刻蝕。制備出的HF-mSiO@C材料首次可逆容量為1067mAh/g，首次庫倫效率為60.1%，140次循環(huán)容量保持率為86.4%，平均庫倫效率為99.5%。預嵌鋰30min的HF-mSiO@C材料，首次庫倫效率達到80.0%，150次循環(huán)容量保持率達到88.8%。通過更長時間的預嵌鋰，可使首次庫倫效率超過100%。
　　通過