【摘 要】
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为了满足爆发性增长的新能源汽车市场和大型储能电站的应用需求,提高锂离子电池的能量密度迫在眉睫。硅（Si）材料因其超高的比容量成为下一代高比能锂离子电池最具前景的负极材料。但由于其合金化的脱嵌锂机制,不可避免的会造成材料巨大的体积效应,由此带来的应力会导致Si颗粒的破碎和Si表面固体电解质膜（SEI）的持续生长造成电池容量衰退和电极极化增长,成为制约Si电极应用的关键问题。本论文以纳米球形硅为研究对
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为了满足爆发性增长的新能源汽车市场和大型储能电站的应用需求,提高锂离子电池的能量密度迫在眉睫。硅（Si）材料因其超高的比容量成为下一代高比能锂离子电池最具前景的负极材料。但由于其合金化的脱嵌锂机制,不可避免的会造成材料巨大的体积效应,由此带来的应力会导致Si颗粒的破碎和Si表面固体电解质膜（SEI）的持续生长造成电池容量衰退和电极极化增长,成为制约Si电极应用的关键问题。本论文以纳米球形硅为研究对象,从电解液优化和界面优化,提高硅负极与电解液的相容性稳定硅表面SEI膜,使Si负极的循环稳定性能和倍率性能都得到了提升,进一步对正极类型对Si负极的影响进行探究,发现不同类型的正极材料对Si负极表面SEI也有明显影响,为Si基全电池的研究指出新的方向。论文工作的主要内容和结果如下:（1）研究了锂盐电解质种类对电池性能的影响,我们选用六种常见锂盐配置了一元、二元和三元电解液,发现相比于其他四种锂盐,硅负极在LiTFSI和LiFSI的电解液中具有更好的循环稳定性和倍率性能,进而以LiPF6为主盐,LiTFSI和LiFSI为辅盐,配置双盐电解液和三盐电解液,通过优化锂盐的组成和配比,发现当LiPF6、LiTFSI和LiFSI按照7:1:2的摩尔比作为电解液锂盐时,Si负极表现出最佳的电化学性能,在0.5 C充放电条件下,Si负极经过500次循环后仍保持1750.82 mAh g-1的高比容量。在30 C倍率情况下,比容量仍高达1851.4 mAh g-1,几乎是LiPF6电解液中的6倍。（2）发展了有机功能分子表面包覆,原位生长SEI技术,选择了一种有机小分子酸,黏酸（MA）对Si材料表面进行包覆,黏酸中的羟基和羧基与Si颗粒表面丰富的羟基发生键合作用,使黏酸均匀的生长在Si颗粒表面,得到Si@MA复合材料。由于黏酸的柔韧性,MA包覆层有效缓解了 Si体积膨胀带来的巨大应力,其存储锂离子的特性使Si@MA材料具有更好的倍率性能;进一步地,我们在MA包覆层中引入了纳米银粒子,得到Si@MA*Ag电极材料。银粒子的加入,提升了材料整体的电子电导率,且银粒子的加入更好的在SEI中生成较多的无机成分,如Li2CO3和LiF,SEI变得史加稳定。结果表明,Si@MA*Ag电极具有最优异的电化学表现:在0.5 C情况下,循环500圈后的可逆容量高达1567.8 mAh g-1。在84和126 mAh g-1的倍率情况下,比容量仍然保持在2078.8 mAh g-1和 1741.3 mAh g-1。（3）研究了正极材料种类对Si基全电池的影响,鉴于Si全电池性能不好,难以广泛应用的问题,我们通过对不同正极类型的Si基全电池的研究,发现不同类型的正极匹配Si基全电池时会有不同的电化学表现。通过对比LFP、NCM523、LCO 和 LMO 半电池与 LFP//Si、NCM523//Si、LCO//Si 和 LMO//Si全电池的电化学性能,以及对应的商用正极片的验证,发现不同类型的正极影响了电解液降解产物的分布,从而影响了不同正极//Si全电池的电化学性能。相比于其他几种正极,NCM523更适合组装硅基全电池以实现更大倍率性能和长循环寿命:在0.2 C电流密度下,80次循环后的容量保持率最高,为62.2%,在10 C倍率情况下,容量保持率为44.7%。
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