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文檔簡介
1、Si負(fù)極材料的理論比容量高達(dá)3579mAh/g,工作電壓較低,且儲(chǔ)量豐富,被認(rèn)為是最具潛力的高容量鋰離子電池負(fù)極材料。然而,Si在儲(chǔ)鋰過程的體積變化巨大,導(dǎo)致電極材料的電接觸性能隨循環(huán)不斷退化,循環(huán)容量急劇衰減,嚴(yán)重阻礙了Si的實(shí)際應(yīng)用。本文在綜述Si基負(fù)極材料循環(huán)容量衰退機(jī)理和性能調(diào)控研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,針對(duì)材料普遍存在的首次庫倫效率低、循環(huán)性能差等缺點(diǎn),提出氫驅(qū)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)(簡稱“氫化反應(yīng)”)制備Li和Mg的硅化物的思路,系統(tǒng)研究了材
2、料的制備方法、結(jié)構(gòu)和電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能,揭示了Si基材料的儲(chǔ)鋰機(jī)制和衰退機(jī)理。
通過“氫化反應(yīng)”法制備了高純、單相的Li12Si7合金負(fù)極材料,并研究了其脫嵌鋰行為和儲(chǔ)鋰機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),在0.02-0.6V電壓區(qū)間內(nèi),材料可實(shí)現(xiàn)Li12Si7與Li12+xSi7(x≈4.8~5.3)之間的可逆儲(chǔ)放鋰,該過程以Li在Li12Si7間隙位的嵌入/脫嵌為主,表現(xiàn)出良好的充放電可逆性和較高的容量保持率,循環(huán)過程中的庫侖效率高達(dá)~99%,3
3、0次循環(huán)后的容量保持率為74.4%。準(zhǔn)原位XRD分析發(fā)現(xiàn),在放電至0.11V和充電至0.45V時(shí),出現(xiàn)了一種新相,該相在后續(xù)的放電/充電過程中會(huì)參與反應(yīng),轉(zhuǎn)變?yōu)長i12+xSi7/Li12Si7。而當(dāng)充電電壓高于0.6V時(shí),晶態(tài)Li12Si7逐漸轉(zhuǎn)變非晶Si。由于預(yù)嵌鋰引入了預(yù)膨脹,脫嵌鋰過程中的體積變化率降低,使得Li12Si7在0.02-2.0V電壓窗口呈現(xiàn)出較原始Si顯著改善的循環(huán)性能,其最大放電容量為2468mAh/g(按Si的
4、質(zhì)量計(jì)算),20次循環(huán)后的放電容量為1031mAh/g,相應(yīng)的容量保持率為41.8%;而Si的20次循環(huán)后的放電容量僅為353mAh/g,相應(yīng)的容量保持率僅為12.7%。高能球磨處理可以降低Li12Si7的顆粒尺寸和結(jié)晶性,球磨48h的Li12Si7的顆粒尺寸為~1μm,其最大充電容量為2908mAh/g,60次循環(huán)后的可逆容量為853mAh/g,約為48h球磨純Si的7倍,相應(yīng)的容量保持率為29.3%,為48h球磨純Si樣品的5倍。此
5、外,材料的結(jié)晶性對(duì)Li12Si7起始循環(huán)的充放電曲線影響較大,但對(duì)材料的循環(huán)性能影響不明顯。
對(duì)不同脫嵌鋰程度的非晶Li12Si7電化學(xué)阻抗譜的研究顯示,Li12Si7電極的表面電荷轉(zhuǎn)移阻抗與其脫嵌鋰量密切相關(guān),在放電電壓低于0.11V和充電電壓高于0.7V時(shí),由于電極活性材料粉化,所得樣品的表面電荷轉(zhuǎn)移阻抗明顯增加,偏離“U”型變化規(guī)律,因此,優(yōu)化的非晶Li12Si7的工作電壓窗口為0.11-0.7V。通過將工作電壓窗口限制
6、在0.11-0.7V范圍內(nèi),顯著改善了電極的循環(huán)穩(wěn)定性能。在0.11-0.7V電壓窗口循環(huán)100次后,非晶Li12Si7的容量保持率約為57.6%,是其在0.02-2.0V電壓范圍內(nèi)循環(huán)時(shí)容量保持率的3倍。
研究了Mg2Si負(fù)極材料在充放電循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)演變,揭示了其循環(huán)容量衰退機(jī)理。結(jié)果表明,Mg2Si的充放電過程包括兩個(gè)階段:充電時(shí),放電(嵌鋰)樣品首先發(fā)生Li-Mg與Li2MgSi脫鋰形成LixMg2Si,然后LixM
7、g2Si進(jìn)一步脫鋰生成Mg2Si。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),循環(huán)時(shí)充電容量的衰退主要來自于第一個(gè)階段容量的衰減,這主要是因?yàn)?,在放電過程中析出的Mg嵌鋰活性較低,放電后不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)長i-Mg合金,從而導(dǎo)致循環(huán)過程中Mg不斷析出,活性Mg2Si量的減少。通過形成Li2MgSi,可以有效避免Mg的析出,從而顯著改善材料的循環(huán)穩(wěn)定性能。
在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并合成了7Mg2Si-xLi12Si7(0≤x≤2)復(fù)合體系,系統(tǒng)研究了其電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能
8、及儲(chǔ)鋰機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),添加Li12Si7能夠有效抑制Mg2Si放電過程中Mg的析出和Li-Mg合金的形成,從而顯著提高了電極的可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性能。7Mg2Si-Li12Si7體系中Mg與Si原子比與Li2MgSi相同,充放電過程無Mg析出,因此呈現(xiàn)出較好的綜合電化學(xué)性能,其最大可逆容量為814mAh/g,50次循環(huán)后的容量保持率為72.6%。而Si無法抑制Mg的析出,Mg2Si-Si復(fù)合體系的循環(huán)性能與Mg2Si基本相同,這主要是因?yàn)?/p>
9、,Mg2Si的起始嵌鋰電壓平臺(tái)為~0.14V,高于Si的起始嵌鋰電壓平臺(tái)(~0.1V),從而Mg2Si-Si復(fù)合體系首次放電時(shí)發(fā)生Mg2Si和Si各自的嵌鋰,首先Mg2Si嵌鋰生成Li2MgSi和Mg,然后Si和Mg發(fā)生嵌鋰反應(yīng)。
此外,通過“氫化反應(yīng)”方法實(shí)現(xiàn)了SiO的化學(xué)預(yù)嵌鋰,顯著降低了其首次不可逆容量,提高了其首次過程中的庫侖效率,改善了其循環(huán)穩(wěn)定性能。研究可知,“氫化反應(yīng)”制備的Li0.4-Si-O、Li0.75-S
10、i-O和Li-Si-O復(fù)合體系的首次庫倫效率分別為78.2%,87.8%和90.7%,較原始Si-O體系的69.5%得到明顯提高。同時(shí),Li-Si-O體系的首次嵌鋰過程的體積膨脹較小,電荷轉(zhuǎn)移阻抗明顯小于原始SiO,因此呈現(xiàn)出較高的循環(huán)容量保持率,其在50次循環(huán)的容量保持率為44.0%,是SiO容量保持率(21.7%)的兩倍。然而,Li-Si-O復(fù)合材料顆粒表面存在導(dǎo)電性較差的Li2O層,不利于表面電荷的傳輸,通過添加高導(dǎo)電性的Cu,能
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