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随着人类文明的进步和社会的发展,清洁能源的研发和应用是未来发展的必然趋势。硅具有最高的理论比容量(4200 mAh/g)和适中的工作电位(<0.4V vs Li/Li~+),是下一代锂离子电池的理想型负极材料。然而,在嵌锂的过程中,硅的体积发生巨大变化,导致电极发生粉碎,活性物质与集流体失去电接触而无法再次嵌锂,容量急剧衰减,这是硅负极材料在商业应用中的最大阻碍。针对硅负极所存在的问题,本文采取了三个方案,旨在缓解硅的体积膨胀,提高硅负极循环稳定性能。实验结果分别制得了纳米硅(Nano Si),聚丙烯腈包覆硅碳复合材料(CGS),聚苯胺改性聚丙烯腈包覆硅碳复合材料(PCGS)。以下为本文的创新成果:(1)本文以微米硅为原料,通过球磨法制备得到了纳米硅。纳米化有效缓解了硅的体积膨胀,促进了硅负极的循环稳定性能。实验结果得出,硅纳米化处理后,其粒度为200 nm左右,并具有良好的电化学性能:在0.2 A/g测试电流密度下,首次放电比容量为3217.3 mAh/g,首次充电比容量为2264.2 mAh/g,首次库伦效率为70.38%,循环100周后,仍具有900 mAh/g以上的可逆容量。(2)目前,纯硅材料的体积膨胀依旧很大,还需要采取进一步方案来提高稳定性能。本论文首先将纳米硅与石墨复合,再采用聚丙烯腈对其进行包覆,制得的复合材料具有良好的电化学性能。我们研究了碳化温度、聚丙烯腈包覆量、硅与石墨的比例对复合材料电化学性能的影响,并得出以下结论:较优的碳化温度为1000℃,液态聚丙烯腈较优的包覆量为固体物料的40%,硅与石墨复合的较优比例为5:95,该材料在189.24 mA/g的测试电流密度下,首次放电比容量为557.6 mAh/g,首次充电比容量为513.9 mAh/g,首次库伦效率为92.16%,循环100圈后,仍有435.38 mAh/g的可逆容量,保留率为84.72%。(3)为了进一步提高硅负极材料的稳定性,本文采用导电聚苯胺对0.4C-85G-15Si复合材料进行改性。高弹性的导电聚苯胺在0.4C-85G-15Si材料表面形成2D网状结构,不仅提高了材料的导电率,还进一步稳固了0.4C-85G-15Si材料的结构。实验结果表明,当苯胺与0.4C-85G-15Si的质量比为1.4:6时,PCGS复合材料的性能表现最优:在189.24mA/g的电流密度下,首次放电比容量达854.8 mAh/g,首次充电比容量达到739.8 mAh/g,首次效率为86.55%,循环充放电100圈之后,容量维持在586.96 mAh/g,仍保有79.34%之高的容量保留率,即使在946.2 mA/g电流密度下,也可维持431.3 mAh/g的可逆容量。