锂离子电池氧化亚硅负极的改性与电化学性能研究

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高比容的负极材料是提高锂离子电池(Lithium-ion batteries,LIBs)能量密度的重要突破口,硅(Si)基材料凭借丰富的自然储备量、较低的放电电位以及高的理论比容量被认为是最有前景的下一代锂离子电池负极材料。然而单质Si在循环过程中会造成超过300%的体积变化,导致活性颗粒的破碎以及固态电解质膜(Solid electrolyte interphase,SEI)的重复生长,严重限制了单质Si的循环稳定性。氧化亚硅材料(SiOx)由于锂化时会生成硅酸锂/氧化锂,减小了整体体积变化,并作为缓冲层减轻体积变化对结构的影响,被认为是Si基家族中目前商业实用化程度较高的负极材料。尽管硅酸锂等不可逆相抑制了体积膨胀,但造成了活性锂的损失,因此SiOx负极的首圈库伦效率(Initial coulombic efficiency,ICE)较低。本论文以提升库伦效率为出发点,通过固定微米SiOx颗粒中氧组分为对锂惰性的石英晶相以及对SiOx极片化学预锂化,获得了具有优异的综合电化学性能的氧化亚硅负极材料,主要研究内容如下:(1)利用碱金属在SiOx歧化过程的助熔作用以及氟离子对硅氧网络结构的破坏作用,采用LiF为掺杂物,900℃下短时间歧化获得具有较高结晶度的SiO2石英晶相与Si晶相共存的两晶相氧化亚硅材料。短时间的歧化获得了大小合适的两种晶畴,既释放了更多的活性Si,提高了可逆容量;又固定了部分氧,提高了首圈库伦效率。改性后的样品ICE提高到80%,首圈可逆容量为1521 mAh g-1,循环100圈的平均库伦效率为99.14%,在200圈循环中库伦效率超过99.5%的占比比未加LiF的样品更高。此外研究发现,虽然延长保温时间或者提高歧化温度可以固定更多氧组分为石英晶体而提高首效,但损失了大量可逆容量。同时,通过原位XRD研究了石英晶相与硅晶相在脱嵌锂过程中的变化。(2)利用1-甲基萘-锂为有机锂源对SiO@C负极片进行化学预锂化。研究发现1-甲基萘-锂能够部分还原SiO表层的SiO2,进一步提升了SiO@C的可逆比容量,浸泡十小时的极片组装半电池的首圈可逆比容量达到了 2341.4 mAh g-1,有助于提升电池的能量密度。预锂化阶段预生成的硅酸锂相提高了Li+扩散速率,有利于高容量的发挥与高倍率性能的实现。应用预处理的极片与磷酸铁锂组装的全电池的首圈库伦效率从65%提升到了 80%,实现了可观的补锂效果。
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