微—纳结构硅基负极材料设计及储锂性能研究

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锂离子电池具有循环寿命长、比容量大、安全性好、环境污染小等优点,被认为是下一代高效储能装置之一。然而,目前锂离子电池负极材料的容量提升已经达到理论瓶颈,但是依然无法满足电动汽车(EV)、混合动力电车(HEV)等大容量用电终端的需求。硅材料具有很高的理论储锂容量(3579 mAh g-1),然而硅材料在充放电过程中巨大的体积膨胀效应以及作为半导体较低的电导率限制了其实际应用。本论文从商用纳米硅材料出发,分别采用溶剂热法、乙二胺辅助St?ber方法,结合碳包覆、HF处理工艺,制备了几种具有微-纳复合结构的硅基材料,并通过多种表征手段探究了材料的形貌结构和电化学性能。本文取得的创新性结果如下:(1)通过简单的溶剂热反应制备了Si/CNT@MnSiO3复合材料,由于无定形MnSiO3的包覆以及CNT的引入,复合材料具有良好的循环性能和倍率性能。在1 A g-1的电流密度下循环400周后还有708.3 mAh g-1的比容量。得益于MnSiO3的粘连作用,降低了Si和CNT之间的接触电阻,复合材料材料在4 A g-1的电流密度下容量高达573.8 mAh g-1。(2)通过溶剂热法成功制备了Si@MnSiO3团簇材料,进一步通过碳包覆和氢氟酸刻蚀得到微-纳结构的硅碳复合材料(简称nano-Si SC,下同)。空隙空间的引入和导电碳网络的引入提高了材料的稳定性和导电性,nano-Si SC复合材料具有良好的循环性能和倍率性能,在1 A g-1的电流密度下250周充放电循环后的比容量达到701.6 mAh g-1,容量保持率达到82.3%(以第二周的放电比容量作为对照)。(3)采用乙二胺辅助的St?ber法制备了氧化硅包覆的纳米硅团簇材料,后续经过碳包覆和氢氟酸刻蚀,制备得到nano-Si SC复合材料。该方法反应条件温和,所得到的纳米硅团簇材料表面较为光滑,比表面积有效降低,有效提高材料的首次库伦效率。当Si:TEOS=1:8时,材料表明出良好的循环稳定性。在1 A g-1的电流密度下300次充放电测试后还有837.9 mAh g-1的比容量。
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