锂离子电池负极材料氧化亚硅的制备及性能研究

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氧化亚硅(SiO)材料属于新一代锂离子电池负极材料,其具备容量高,循环寿命长,体积形变系数低等优点,能有效的缓解硅基负极材料在锂离子电池中因体积形变所导致的一系列问题,从而提升锂离子电池的循环性能。本文使用硅粉和石英粉作为原材料通过高温固相反应法合成SiO材料,探索了不同冷凝温度对SiO材料的结构、形貌及电化学性能的影响;并采用不同类型的原料制备SiO材料,探索原料的纯度对SiO材料纯度的影响;实验制备了不同粒径大小的混合原料,用于研究混合原料粒径的大小、投料量、反应温度对实验反应率的影响;使用不同种类的碳源包覆SiO材料,研究碳源种类对包覆后复合材料的电化学性能的影响,以沥青为碳源探究不同碳包覆量对复合材料电化学性能的影响。详细研究内容及结果如下:(1)通过自制设备控制冷凝收集区的温度分别为500℃、600℃、700℃、800℃,并收集得到SiO材料,通过XRD测试发现,冷凝温度为800℃时出现硅的特征峰,冷凝温度低于800℃时SiO材料均为非晶形态。经其首次充放电容量数据表明,在冷凝温度为700℃条件下得到的SiO材料电化学性能最佳,700℃时冷凝的SiO材料首次充放电容量最高,首次充放电效率高达72.1%。为分析SiO材料在高温环境下内部结构的变化。(2)采用不同类型的原料实验,硅原料分别采用:411型号工业细硅粉和切割硅泥;二氧化硅原料采用高纯石英砂及气相白炭黑。使用以上四种原料进行实验合成SiO材料,通过检测分析原料及SiO材料内部的杂质元素含量,判断所得材料的纯度,结果表明,使用411型号工业细硅粉及高纯石英砂制备出的SiO材料杂质含量较小,实验还分析了相同环境下在不同阶段收集的SiO材料的杂质含量,发现随着反应时间的延长,SiO材料内杂质含量在逐渐增加。(3)通过实验制备了不同粒径大小的混合原料。首先,观察混合原料粒径对实验反应率的影响,发现随着粒径的增大反应率显著提升。当颗粒粒径为5 mm时其反应率可高达98%;其次,研究投料量对反应率的影响,单批次分别投料坩埚底1 cm厚和4 cm厚,可明显观察到随着投料量的增加反应率减小;实验还探索了添加粘结剂和反应温度对反应率的影响,结果表明反应温度升高、原料混合阶段添加粘结剂均会提高实验的反应率。(4)本文采用HSC纯热力学模拟软件对课题实验进行模拟分析,结果表明反应温度在1260℃左右时反应开始进行,合成出SiO蒸气,温度为1280℃时反应结束,2 kmol的Si和SiO2完全反应生成SiO蒸气。(5)采用沥青、蔗糖、树脂类、柠檬酸等碳源对氧化亚硅进行包覆,发现以柠檬酸与沥青为碳源包覆的SiO材料的首次充放电效率可达到73.9%,远高于其他两种碳源。实验探究了采用复合碳源包覆SiO材料时的电化学性能,分析结果发现发现先包覆柠檬酸再包覆沥青效果较好,其首效最高能达到73%。实验以沥青为碳源研究了不同碳包覆含量下复合材料的电化学性能,结果表明,随着碳包覆含量的增加,复合材料的首效和循环性能不断提升。
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