用于鋰離子電池負(fù)電極的硅基復(fù)合材料研究.pdf

1、固態(tài)可充電電池，特別是鋰離子電池，是各種各樣的電子設(shè)備的主要可攜帶電源。鋰離子電池在應(yīng)用方面的良好可靠性和高能量密度的進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵是電極材料。近年來，硅材料作為鋰離子電池負(fù)極材料取代目前的石墨材料的研究受到人們的廣泛關(guān)注，主要原因是由于硅材料作為鋰離子電池負(fù)極材料的高能量密度（比容量4200毫安·時(shí)/克，最大含鋰的Li-Si系合金相Li22Si5）。然而，目前硅材料作為鋰離子電池負(fù)極材料在實(shí)際商業(yè)應(yīng)用方面遇到了極大的阻礙。主要原因在

2、于，在鋰離子插入和脫出硅負(fù)極材料的循環(huán)過程中，由于硅負(fù)極材料巨大的體積變化(～400％)，導(dǎo)致材料粉化、能量密度迅速減小、循環(huán)性能極差。在最近幾年，為克服這個(gè)問題，科學(xué)家們已經(jīng)采取了許多有意義的策略。其中，硅納米顆粒復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極材料具有很多優(yōu)勢(shì)，如鋰離子插入電極活性物質(zhì)的擴(kuò)散長(zhǎng)度減少、整體電荷傳播電阻的降低等動(dòng)力學(xué)優(yōu)點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注。本博士論文研究工作，以硅為基礎(chǔ)的納米復(fù)合材料進(jìn)行了研究，主要研究?jī)?nèi)容如下。
　

3、　碳包覆的硅納米粒子復(fù)合材料制備、鋰離子電池循環(huán)性能及其機(jī)理研究。應(yīng)用多巴胺作為碳源包覆在100納米硅顆粒表面，形成Si@C復(fù)合納米結(jié)構(gòu)作為鋰離子電池負(fù)極材料。這樣既可以達(dá)到抑制硅材料作為鋰離子電池負(fù)極材料的體積膨脹問題，也避免了硅納米顆粒的聚集現(xiàn)象。Si@C復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)電極在電流密度100毫安/克條件下，電池循環(huán)67次后的容量為376毫安·時(shí)/克。
　　通過化學(xué)氣相沉積(CVD)法，在硅（100納米）表面生長(zhǎng)碳納米管

4、，形成硅/CNT復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，并研究其鋰離子電池電化學(xué)性能及其機(jī)理。這種復(fù)合材料表現(xiàn)出良好鋰離子電池電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性;在100毫安/克的電流密度條件下，100次循環(huán)后容量為450毫安·時(shí)/克。這種相對(duì)提高的鋰離子電池循環(huán)性能，可以歸因于電極材料中維持了良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，也由于硅納米顆粒之間的碳納米管高彈性性能，在鋰離子插入和脫出硅材料的過程中，對(duì)硅材料的體積膨脹起到了良好的抑制作用。
　　石墨烯包覆的硅納米粒子復(fù)合材料的制各及其鋰離

5、子電化學(xué)性能研究。首先對(duì)硅@SiO2的表面進(jìn)行APS修飾和改性，達(dá)到使氧化石墨烯納米片包覆在硅@SiO2(100納米)表面的目的;然后高溫退火使得包覆在納米顆粒表面的氧化石墨烯納米片還原成石墨烯，形成硅/石墨烯復(fù)合材料。這種硅基復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極材料在電流密度166毫安/克條件下，100次循環(huán)后容量保持在426毫安·時(shí)/克。這一研究結(jié)果表面，硅/石墨烯復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極材料比裸體硅納米顆粒要好很多。主要原因在于硅/石墨烯