SiO2有序介孔体合成与Si/SiC/C复合结构制备及其储锂性能

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近年来,新能源材料的研究者们大多都将目光汇聚在锂离子电池上。锂离子电池负极材料的探究是其中必不可少的一环。硅,凭借着高的理论比容量和适中的锂离子脱/嵌电位而受到了科研者们的广泛关注。然而,硅材料的倍率性能和循环稳定性相对较差,使其商业化应用的实现较为困难。选用硅材料作为锂离子电池负极时,面临着两个突出的问题:(1)在电池循环时,硅材料由于锂离子脱/嵌而产生体积收缩/膨胀,进而导致负极材料发生破坏崩塌现象,并且失去与集流体的电接触,致使电池的循环稳定性不高。(2)硅材料的纳米结构制备成本较高且难于规模化生产。针对上述问题,本文利用简单的嵌段共聚法合成了有序介孔二氧化硅结构(Si O2-OMPs)。以Si O2-OMPs为前驱体,经过碳包覆表面改性处理,制备了有序介孔二氧化硅包碳复合结构(Si O2/C-OMPs)。最后,采用低温镁热还原反应制备出循环性能良好的有序介孔硅包碳化硅包碳复合结构(Si/Si C/C-OMPs)。最终获得的复合纳米Si结构具有丰富的孔道结构,可以缓解Si在电池充放电时所产生的体积胀缩效应,因而提高了负极材料的循环稳定性。与此同时,这种简便易行的制备方法还提高了硅基负极材料规模化产业化应用的潜力。本文主要的研究结果如下:(1)用TEOS作硅源、P123为模板剂,于特定的环境中,合成尺寸可控的Si O2-OMPs颗粒。溶液酸浓度和添加不同分散剂与否等条件可以实现对Si O2-OMPs颗粒形貌的调控,获得短棒状颗粒。(2)Si O2-OMPs具有特定的有序介孔结构,经过碳包覆表面改性处理后,得到的Si O2/C-OMPs能够保持原模板的孔道结构。以多巴胺作为碳源进行表面包碳获得多孔Si O2/C复合结构的方式具有步骤简单、碳包覆层均匀平整且对原始物料的保型性好等特点。(3)以Si O2-OMPs直接进行镁热还原时,生成物相的转变顺序是:Mg→Mg2Si→Mg2Si+Si→Si。该反应过程分为两步:第一步,加热蒸发后的Mg蒸汽扩散到Si O2界面处反应,生成中间相Mg2Si。第二步,Mg2Si与未被还原的Si O2反应转变为纯Si相。(4)碳包覆处理后的Si O2/C-OMPs复合结构经过低温镁热还原反应,在内部Si与外包C层之间生成Si C层,得到Si/Si C/C-OMPs复合结构。该结构中的Si C层增强了物料结构的强度和稳定性,使得复合负极材料的循环稳定性得到较大的改善(较Si/C-OMPs而言)。本文主要的创新点:(1)提出了溶液酸浓度和添加不同分散剂与否控制合成Si O2-OMPs颗粒的形貌,为后续制备锂离子电池负极材料做好准备。(2)不但制备出了Si/Si C/C-OMPs核壳结构,而且探究了包C处理和生成Si C层对锂离子电池负极材料界面稳定性及储锂性能的影响。
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