非晶硅薄膜的结构分析及作为新型镍氢电池负极材料的研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:haideliliang
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Ni-MH电池自上世纪90年代投入商业应用以来,作为Ni-MH电池负极的储氢合金电极材料发展已取得显著进展。然而,在绿色电动汽车和储能器件高速发展的今天,传统Ni-MH电池由于受限于现有储氢合金电极容量较低以及水系电解质电化学窗口较窄的缺点,致使镍氢电池能量密度的提升仍比较缓慢,这极大限制和阻碍了Ni-MH电池的进一步应用。因此,探索非传统储氢合金的新型高容量储氢电极负极材料以及与之匹配的具有较宽电化学窗口的电解液,这对发展高能量密度的镍氢电池有着十分重要的意义。基于最近有关非晶硅材料具有可逆电化学储氢性能的初步研究结果,本文首先通过磁控溅射方法制备非晶硅(a-Si)薄膜材料,探究了非晶硅薄膜的制备工艺,并采用三维轮廓、XRD、XPS、EDS、TEM等表征手段对非晶硅薄膜进行表征。对上述a-Si薄膜在以一定的压力和温度下的高纯H2中进行氢化处理,以制备氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜,并采用红外FT-IR光谱等对该a-Si:H薄膜的结构和硅-氢键合模式进行分析。最后,以1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体([EMIM][Ac])与醋酸混合组成的质子型离子液体为电解质,分别以非晶硅薄膜和氢化非晶硅薄膜作电池负极,组装成世伟洛克型电池,测试和分析了上述a-Si薄膜及a-Si:H薄膜的电化学性能。主要研究结果如下:(1)在磁控溅射制备非晶硅薄膜过程中,溅射功率和气体工作压强对非晶硅薄膜的生长影响明显。随着溅射功率的增大,薄膜的生长速率随之增大;工作压强的作用则相反,随着工作压强的增大,薄膜的生长速率呈减小趋势。通过相关的表征分析可知硅薄膜呈现非晶态,但由于实验条件的制约,非晶硅薄膜在表面及体相中存在一定程度的氧化,并且在溅射过程中,在衬底与薄膜的界面处有硅镍化合物产生。(2)通过储氢性能PCT装置对非晶硅薄膜进行氢化处理。在高温氢化处理过程中薄膜出现剥落,随着氢化时间的延长薄膜的剥落现象加剧,薄膜表面出现气孔。另外,通过相关表征发现高温氢化后的薄膜部分发生晶化,氢化后的薄膜氧化现象更为明显。通过红外光谱分析,在制备的氢化非晶硅薄膜中存在SiH,SiH2,SiH3三种键合模式。(3)在电化学测试中,设定充放电电流密度为200 mA·g-1,本征非晶硅薄膜最大放电容量为113 mAh·g-1,采用共溅射制备的含有合金的非晶硅薄膜最大放电容量为221 mAh·g-1,电导率对非晶硅的电化学性能影响明显。氢化处理后的氢化非晶硅薄膜的最大放电容量为479.5 mAh·g-1,说明氢化处理对非晶硅薄膜的电化学性能影响更为明显。三组样品的放电平台均出现在0.7V附近。以上的电化学性能证明非晶硅在镍氢电池中有这非常大的应用潜力。
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