锂离子电池硅基负极材料的制备及性能研究

来源 :昆明理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:Rosa1201
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目前,商业化锂离子电池主要是以石墨作为负极材料,而商业化石墨负极材料比容量普遍已经达到360-365 m Ah g-1,传统的石墨负极材料难以满足当今新能源电动汽车和先进电子产品的需求。硅(Si)由于其理论比容量高(高达4200m Ah g-1)、嵌锂平台较为合适,被认为是下一代锂离子电池中最有希望的负极材料之一。硅负极材料具有固有电导率低和在嵌/脱锂过程中会产生巨大的体积膨胀(高达300%)的特点,极易导致电极粉化,影响电池的循环稳定性。为了解决硅负极材料循环稳定性差的问题,本论文采用微纳米硅粉、多孔硅-银复合粉体以及碳-硅-银复合粉体作为锂离子电池的负极材料并对其电性能进行研究,主要研究内容及结果如下:(1)微纳米硅粉球磨制备工艺参数的研究。采用高能球磨法制备微纳米硅粉,对不同球磨工艺下样品的形貌和粒径进行了表征,研究了球料比和助剂使用量对硅粉粒径和振实密度性能的影响。研究发现,在球料比为20:1,硬脂酸添加量为1.0 wt%条件下制备的微纳米硅粉,D50为500~600 nm,振实密度为1.27 g cm-3。(2)多孔硅-银复合粉体的制备工艺及电性能的研究。以球磨后的微纳米硅粉为硅源,采用金属化学刻蚀法制备多孔硅-银复合粉体,对不同刻蚀条件下样品的结构和孔径进行了研究,主要研究了不同刻蚀温度对多孔硅-银复合粉体材料表面积和孔体积以及电化学性能的影响。研究发现,刻蚀温度为80℃时,所制备的多孔硅-银复合粉体材料具有较合适的比表面积和孔体积,分别为20.13m2g-1、7.3×10-2cm3g-1。在0.1 C(1 C=4000 m A g-1)的电流密度下,首次脱嵌锂容量分别达到2511.2 m Ah g-1和2973 m Ah g-1,首次库伦效率86.16%,100周循环后可逆比容量为1226 m Ah g-1,与其他温度条件下制备的电池材料负极相比具有良好的循环稳定性。(3)碳-硅-银三元复合粉体的制备工艺及电性能的研究。采用高能球磨法对30 wt%的多孔硅-银复合粉体与70 wt%人造石墨进行球磨,制备得到碳-硅-银复合粉体材料,研究了碳-硅-银复合材料微观结构及其作为锂离子电池负极材料的电化学性能。研究表明,碳-硅-银复合材料是一种具有夹层式复合结构的材料,在0.2 C(1 C=1500 m A g-1)的电流密度下,循环100次后可以保持高达910.5 m Ah g-1的比容量,在2 C的高电流密度下仍然表现出670 m Ah g-1的比容量。
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