鋰離子電池正-負極材料Li2S-SiO2的合成與電化學性能研究.pdf

1、鋰離子電池作為一種新型綠色二次電池已在小型二次電池市場中占據(jù)了最大的份額。然而，由于正負極材料比容量較低，使得目前商業(yè)化鋰離子電池能量密度普遍不超過200Wh kg-1。本文選擇具有高比容量的硅基負極材料SiO2和Li2S正極材料為研究對象，對材料的合成、微結(jié)構(gòu)和電化學儲鋰性能展開了詳細研究，闡明了電極材料的成分、微觀結(jié)構(gòu)與電化學儲鋰性能的相互關(guān)系，可望為進一步研究和開發(fā)高性能的鋰離子電池電極材料提供了實驗基礎和理論依據(jù)。
　　(

2、1)采用簡單的球磨工藝對庫不齊沙漠中的沙子進行處理，并直接以球磨后的沙子作為鋰離子電池負極材料。系統(tǒng)研究了沙子負極材料的成分組成以及球磨時間對其晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌、電化學性能和電化學儲鋰機理的影響。成分研究結(jié)果表明，沙子的主要成分為SiO2，通過稀鹽酸簡單清洗后，SiO2質(zhì)量比達85％，其余為金屬氧化物雜質(zhì)。微結(jié)構(gòu)研究表明，原始沙子中的SiO2結(jié)晶性良好，隨著球磨時間的增加，SiO2的結(jié)晶性逐漸減弱，向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變。當球磨時間達到108h

3、，沙子中的SiO2完全轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)。球磨后沙子的微觀形貌表現(xiàn)為形狀不規(guī)則，大小不一的顆粒，顆粒尺寸隨球磨時間增加而減小。電化學研究結(jié)果表明，沙子中的SiO2首次嵌鋰反應生成不可逆產(chǎn)物Li4SiO4、Li2O和可逆產(chǎn)物HxSiy。隨著球磨時間的增加，沙子負極材料的初始可逆容量逐漸增加，循環(huán)穩(wěn)定性逐漸下降。球磨108h的樣品首次放電容量達906mAh g-1，首次充電容量達413mAh g-1，表現(xiàn)出最好的電化學儲鋰活性。200次循環(huán)后，與

4、第2次放電容量相比，球磨60h樣品的容量保持率達97.9％，球磨108h樣品的容量保持率僅為59.6％。
　　(2)以球磨108h的沙子和聚苯乙烯(PS)為原料，制備沙子/碳復合材料，并系統(tǒng)研究了碳復合處理對復合材料電化學性能和微觀形貌的影響。微結(jié)構(gòu)研究結(jié)果表明，高溫煅燒處理后，復合材料的結(jié)晶性仍然較差，表現(xiàn)為非晶態(tài)。PS的使用對復合材料的微觀形貌沒無明顯的影響。電化學性能研究表明，含碳量為5.5％的沙子/碳復合材料表現(xiàn)出最優(yōu)異的

5、循環(huán)性能和倍率性能。在100mA g-1電流密度下，該樣品170次循環(huán)后的穩(wěn)定容量為553mAh g-1，可逆容量保持率達78.5％。
　　(3)XRD、FTIR等測試表明，以不同摩爾比的LiH和升華硫為原料，采用簡單的球磨工藝，可成功制備Li2S和Li2S2正極材料。電化學性能測試表明，合成Li2S的循環(huán)性能相比商業(yè)Li2S略有提升，100次循環(huán)后的容量為280mAhg-1，Li2S2在前50次循環(huán)較為穩(wěn)定，50次循環(huán)后容量開始