锂离子电池多孔硅/炭复合负极材料的制备及电化学性能研究

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由于当今社会发展对高比容量电池需求越来越大,使得人们将眼光投向比容量高的硅基负极材料上;该材料被视为具有替代现在商业化最广泛的石墨负极材料的潜力。但是,硅基负极材料自身存在很大缺陷:导电性差和充放电过程伴随巨大的体积膨胀,使得材料失活,因而限制了其商业化的应用。目前采用了诸多应对措施来以提高硅负极材料的性能;其中在多孔硅表面包覆炭层成为硅负极材料的热点之一,也是本文的主要研究内容。当硅颗粒存在一定的孔结构时,不仅能够降低锂离子在充放电过程中的阻力,还能在一定程度上缓解体积膨胀产生的机械应力。因此本文第一部分采用20 wt%硅铝为原料,通过酸刻蚀、多孔硅内熔硫、聚苯胺包覆以及高温炭化等步骤制备多孔硅/聚苯胺基炭复合材料。研究了经过和未经过熔硫步骤对所制备复合材料的结构及电化学性能的影响,并进一步探索了复合物中炭含量对材料电化学性能的影响。研究表明:苯胺与多孔硅的质量比为2:1时,当经过熔硫步骤,且炭化升温速率为1℃·min-1复合材料性能最突出,其首次库伦效率高达78%,并且在电流密度为1 A·g-1下进行充放电时容量仍为751 mAh·g-1,在0.5 A·g-1下进行长达100次的循环以后保持在700 mAh·g-1,容量保持率为79%。炭化速率对材料的性能也有着重要的影响,当炭化速率为1℃·min-1时,所制备的复合材料循环性能和倍率性能都比较好。本文还初步探索了以沥青作为炭源时所制备复合材料的物理性能和电化学性能。首先将硅铝合金浸渍在沥青的三氯甲烷溶液中,然后通过干燥、酸洗和高温炭化等步骤制备多孔硅/沥青基炭复合物材料,并对材料的结构和电化学性能进行了初步研究。研究表明:当沥青与硅铝合金的质量比为0.05时,复合材料的首次库伦为82%,1 A·g-1下进行充放电时,容量仍达992 mAh·g-1。在0.5 A·g-1下进行长达100次循环后容量保持在856 mAh·g-1,容量保持率为51%。
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