SiSn/C锂电池负极材料的制备及性能研究

来源 :武汉工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:brianwang1982
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随着社会的进步,以石墨为负极的锂离子电池已经越来越难以满足人们的要求,因此,发展高比容量的负极材料刻不容缓。Si作为理论比容量最高的负极材料,表现出极大的应用潜力。然而,作为一种半导体材料,Si的导电能力难以达到人们对负极材料的要求,嵌锂过程中巨大的体积效应也严重制约着Si负极的发展。本论文通过高压碳化的方法制备了一种具有三维多孔结构的碳材料(NPC),并将其内部的孔结构作为Si、Sn合成的微型场所制备了SiSn/NPC复合负极材料。一方面,多孔结构削弱了Si负极的体积效应造成的不利影响,另一方面,多孔结构也为锂离子进入材料内部提供了大量的离子通道;而Sn作为高电导率的活性金属能提高材料体系整体的导电能力。(1)以葡萄糖和Si粉为原料,通过水热法以及高温碳化法制备了一种Si/C复合负极材料。研究表明,80-Si/C(材料中碳的质量为80 mg)负极在0.2 A/g的电流密度下经过50次循环后的可逆容量约为Si负极的2倍,碳材料良好的导电能力一定程度上提高了Si/C负极的电化学性能。(2)以微米硅粉、葡萄糖(C6H12O6)和邻苯二甲酰亚胺为原料,通过碳化、复合以及结构设计制备了Si/C、Si/GO以及Si/NPC复合负极材料,测试结果表明,Si/NPC复合材料表现出最好的电化学性能,在经过50次充放电循环后的可逆容量达到了651.75 m Ah/g。NPC丰富的三维多孔结构以及巨大的比表面积为材料体系提供了丰富的活性位点并且能形成多孔的碳包覆层,提高材料体系的导电能力,同时也防止了电解液与活性材料的直接接触,减少了SEI膜生成过程中活性材料的大量失活。(3)在Si/NPC复合材料的基础上制备了一种SiSn/NPC复合负极材料,并探究了该复合材料最佳的制备工艺。研究表明,在800℃条件下制备的SiSn/NP-20负极材料的初始容量为3157.6 m Ah/g,经过50次充放电循环后仍然保持着1652.1 m Ah/g的可逆容量,表现出优秀的循环性能和倍率性能。Sn纳米颗粒与Si纳米颗粒形成了一种互嵌结构,这种互嵌结构可以抑制同种纳米颗粒之间的团聚,保持其原本的纳米尺寸,从而提高材料的循环性能。Sn具有良好的导电能力,Sn嵌入到NPC的孔结构中会与NPC形成良好的欧姆接触,从而提高材料体系整体的导电能力。
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