锡、硅基锂离子电池负极材料的制备及其电化学储锂性能研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhangyi89521
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商业中常用的锂离子电池石墨负极由于理论比容量仅有372 m A h g-1,难以满足目前市场上对于高能量密度的锂离子电池的需求。锡基、硅基材料因其理论比容量高、储量大以及成本较低等优点,有希望成为下一代商业锂离子电池负极材料。然而,锡基和硅基负极材料在嵌锂过程中与锂离子发生合金化反应,会产生巨大的体积膨胀,导致活性物质与集流体、导电添加剂难以保持稳定的电接触,使得电池的循环寿命难以满足实际生活中的使用需求。此外,导电性差等问题也同样限制了锡基、硅基负极材料实用化。为了解决上述问题,本论文开展的主要研究工作如下:(1)采用了浆料涂覆和热处理相结合的方法,制备了以纳米Sn O2为活性物质、碳纳米管(CNT)为骨架以及聚偏氟乙烯(PVDF)衍生碳为碳基体的高稳定复合电极。该电极中PVDF衍生碳和CNT骨架代替了聚偏氟乙烯形成了一种“全碳粘结剂”,相较于传统的PVDF粘结剂具有更强的粘结能力,能有效地结合负极材料颗粒和集流体,并且提供了良好的机械稳定性和导电性。该复合电极0.75A g-1的电流密度下经历500次循环后可逆比容量保持为861.4 m A h g-1,容量保持率达到了87.3%;相较于按传统方法制备的电极,复合电极的结构稳定性以及电化学性能都得到了明显改善。另外,“全碳粘结剂”复合电极在高负载量下的循环性能测试也表现优异,当面积比容量达到2 m A h cm-2可以维持100圈的稳定循环,证明该简单有效的制备方法具有可观的实用前景。(2)采用硅烷偶联剂KH560为单一硅源和碳源,KCl/Li Cl为混合盐,将其二者与镁粉简单的球磨混合后进行高温煅烧,得到二维嵌入型Si/C复合材料。在该反应过程中,有机硅中的碳原子在熔融盐体系会受到诱导重组形成二维片状结构,硅氧(Si-O)键则会被镁粉还原,原位转化为单质硅并嵌入二维的碳基底中,这种二维碳基结构不但具有优良的导电性和离子传输性,同时碳基底还可以很好的抑制硅在循环过程中的体积膨胀。此外还采用了正硅酸乙酯(TEOS)为有机硅源,在相同的体系中使用氩氢气对其进行原位还原,可以得到被部分还原的Si Ox复合碳基底的二维结构。其中Si/C材料表现出了较高放电容量,其首次放电容量为1660.4 m A h g-1,以0.5 C的倍率经历150次循环后放电容量保持在1340.7 m A h g-1;Si Ox/C复合材料也表现出稳定的循环性能,在0.5 A g-1的电流密度下循环100圈后,可逆比容量为781.6 mA h g-1,容量保持率为70.5%。
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