鋰離子電池負(fù)極材料多孔Si和Ge基材料的合成、表征及應(yīng)用.pdf

1、鋰離子電池作為一種重要的便攜式電池其應(yīng)用日益廣泛，成為國際產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。四族元素材料Si和Ge被認(rèn)為是下一代鋰離子電池負(fù)極材料的理想候選材料，他們具有如下的優(yōu)勢:地殼含量較為豐富，理論比容量高，嵌鋰電位相對(duì)低。Ge相對(duì)于Si而言，具有更加快速的鋰離子遷移率和電子導(dǎo)電率，從而擁有更加優(yōu)良的電化學(xué)性能，但是其價(jià)格也更加的高昂。但是，Si和Ge都是屬于合金型反應(yīng)機(jī)理的材料，這二者材料都面臨著在合金化過程中具有較大體積膨脹的

2、這一難題，限制了其實(shí)際應(yīng)用。因此，Ge和Si材料制備和合成以及作為鋰離子電池負(fù)極材料的性能成為一個(gè)國際上前沿問題。
　　本文在概述了這兩種材料的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了制備Ge、 Si多孔材料改善二者鋰離子電池的循環(huán)性能的思路;探究了兩種材料的多孔結(jié)構(gòu)的合成方法，發(fā)現(xiàn)了一種可大量制備多孔Si的新型合成方法;并研究了這兩種材料的多孔結(jié)構(gòu)對(duì)于鋰離子電池負(fù)極材料性能的提升。具體而言，論文取得了如下的創(chuàng)新研究成果:
　　(1)通過球

3、磨法制備了Mg2Si合金材料，首先研究了Mg2Si合金作為鋰離子電池負(fù)極材料的應(yīng)用，但是發(fā)現(xiàn)純的Mg2Si材料作為負(fù)極材料其循環(huán)性能非常差。為了改善其循環(huán)性能，采用了氣相法對(duì)其進(jìn)行表面碳層的包覆，從而發(fā)現(xiàn)Mg2Si@C材料的性能尤其是循環(huán)穩(wěn)定性得到了大幅提升，并對(duì)表面均勻包覆碳層提升電池循環(huán)穩(wěn)定性的機(jī)理進(jìn)行了探討。
　　(2)采用Mg2Si為原料，對(duì)其熱穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究發(fā)現(xiàn)，Mg2Si在有氧的條件下特定的氣氛下高溫?zé)崽幚?/p>

4、會(huì)分解，可以得到多孔Si和MgO的前驅(qū)體，將其酸處理去除MgO之后就可以得到多孔Si材料，這是一種制備非常簡單、具備實(shí)用價(jià)值的多孔硅制備新途徑。論文對(duì)合成過程的粒徑因素、氧含量、熱處理溫度等影響因素進(jìn)行了詳細(xì)研究，為該技術(shù)的大規(guī)模化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。進(jìn)一步地，研究不同形式碳包覆制備多孔的Si@C材料，獲得了更加好的鋰離子電池循環(huán)性能。
　　(3)利用Mg2Si和Mg2Ge為原料，通過球磨和熱處理的方法制備得到了多孔SiGe復(fù)合材料。

5、研究發(fā)現(xiàn)其反應(yīng)機(jī)理和Mg2Si分解類似;不同Si和Ge比例的材料對(duì)于負(fù)極材料的性能有著非常大的影響，Ge的比例越高，其電池的循環(huán)溫度性也越好，但是比容量相對(duì)而言比較低。
　　(4)采用SiO為源，通過簡單的熱處理和酸處理制備得到多孔Si材料，從而提出了另外一條新的多孔Si的合成路徑。在詳細(xì)研究SiO在不同的熱處理?xiàng)l件的實(shí)驗(yàn)之后，發(fā)現(xiàn):在中低溫?zé)崽幚砗虷F處理?xiàng)l件下，可以得到納米Si分散于SiOx體系的這一結(jié)構(gòu);而在高溫?zé)崽幚砗虷F

6、處理的條件下，可以得到多孔的Si-SiO2-SiOx這一結(jié)構(gòu);用這種方法制備的多孔Si作為負(fù)極材料，其電池具有一定的比容量和穩(wěn)定的循環(huán)性能。
　　(5)利用Mg2Ge為源，通過改變反應(yīng)氣氛等條件，合成了新型多孔Ge納米結(jié)構(gòu)和多孔的GeO2納米結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)中，通過Mg2Ge高溫分解和酸處理得到多孔的Ge，采用氧化性更強(qiáng)的氧氣氣氛或者延長反應(yīng)時(shí)間得到了多孔的GeO2納米結(jié)構(gòu)。經(jīng)過碳層包覆之后，該結(jié)構(gòu)作為負(fù)極材料的鋰離子電池表現(xiàn)了優(yōu)秀的