高硅沸石在锂离子电池负极材料中的应用研究

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随着锂离子电池在储能领域和新能源汽车领域的应用,现有锂离子电池的能量密度、循环性能和安全性能逐渐难以满足要求。现今锂电池的负极材料主要为能量密度小的石墨类碳材料。在已被应用或者研究的锂电池负极材料中,硅及硅的氧化物负极材料因为具有很高的理论比容量和安全性能,被广泛认为是能够替代石墨类负极材料的下一代锂电池负极材料。但是硅材料在反复充放电过程中会粉末化从而导致材料的失效。  沸石是一种天然或者人工合成的具有分子筛框架结构的材料,其主要成份为硅铝酸盐。高硅沸石是高硅铝比的沸石,本课题中使用的高硅沸石是人工合成的。该高硅沸石的硅氧的摩尔接近比为1:2,是一种含氧框架硅材料。沸石框架之间的孔隙能够缓解活性硅在电化学循环中的体积膨胀。但是沸石具有颗粒大,电导率低,活性硅相对含量低的缺点。因此本课题主要研究内容包括合适粒径沸石的制备,沸石导电性的提高例如热解碳包覆沸石,石墨烯包覆沸石,以及沸石活性硅含量的提高等。  沸石合成采用水热法,以四丙基氢氧化铵(TPAOH)为模板剂。控制合成温度与合成时间分别为100℃,20h时,合成的沸石颗粒纯度最高,粒径在200~300nm之间。该沸石颗粒在100mA/g电流密度下,首次放电比容量为115.2mAh/g,循环20次后的放电比容量为81mAh/g,库伦效率为98.6%。  为了提高导电性,将沸石包碳。分别采用酚醛树脂、葡萄糖为热解碳源,获得团块状和球状的碳包覆沸颗粒。碳包覆沸石复合物中,沸石/酚醛树脂质量比为2:1时复合物性能较优,初次放电比容量达到665.8mAh/g,库伦效率为57.5%,循环20次后的放电比容量维持在163.5mAh/g,库伦效率为99%。采用镁热还原提高活性硅相对含量后,葡萄糖浓度为5mg/mL时的前驱体制备得到的球状碳包覆中空硅壳的复合物,首次放电比容量达到896mAh/g,首次库伦效率为51%,循环50次后放电比容量维持在239.4mAh/g,库伦效率为99.2%,镁热还原一定程度上提高了复合物的性能。  采用石墨烯为导电网络包覆沸石时,采用还原气氛煅烧法制备的沸石/石墨烯复合物,沸石颗粒完全分散在石墨烯片层之间,形貌和性能要高于采用溶剂热还原法制备的复合物。采用还原气氛煅烧法制备复合物时,沸石/石墨烯质量比为1:1时的样品,初次放电比容量上升到830.5mAh/g,循环50次后,放电比容量维持在363.9mAh/g,库伦效率为99.4%,循环性能和比容量要优于包碳沸石和纯沸石。镁热还原后,沸石/石墨烯质量比为5:1时,初次放电比容量达到3442.6mAh/g,充电比容量达到2350.2mAh/g,库伦效率为68.3%,循环50次后的放电比容量维持在432.6mAh/g,库伦效率为97.3%,对比镁热还原之前性能提高。
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