鋰離子電池用核殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf

1、鋰離子電池具有能量密度高、輸出功率大、自放電小、無環(huán)境污染等特點(diǎn),目前已受到越來越多的關(guān)注。鋰離子電池現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、醫(yī)療器械、混合及純電動車等領(lǐng)域。電極材料是鋰離子電池最為關(guān)鍵的組成部分,直接決定電池各方面的電化學(xué)性能。因此,目前各國科研工作者都對鋰離子電池電極材料,尤其是負(fù)極材料,開展了廣泛而深入的研究。
　　目前,納米二氧化鈦和納米硅作為替代傳統(tǒng)鋰離子電池碳負(fù)極材料已受到越來越多的關(guān)注。納米二氧化鈦雖然具有自身

2、嵌鋰電位比碳高(約1.75V)、在有機(jī)電解液中溶解度小等優(yōu)點(diǎn),但由于其在電池循環(huán)過程中容易發(fā)生粒子團(tuán)聚,導(dǎo)電性能較差等缺點(diǎn),嚴(yán)重影響了電池的循環(huán)穩(wěn)定性。而納米硅用作鋰離子電池負(fù)極材料時,雖然具有可逆容量高、自身放電平臺比較低等特點(diǎn),但制約其大規(guī)模應(yīng)用的主要原因是納米硅在發(fā)生嵌鋰時存在嚴(yán)重的體積膨脹效應(yīng),很容易造成電極結(jié)構(gòu)的崩塌,導(dǎo)致容量急劇衰減,電池循環(huán)穩(wěn)定性很差。針對以上問題,本文擬通過采用多巴胺發(fā)生自聚合反應(yīng)包覆在TiO2及Si納米

3、粒子表面,再經(jīng)過高溫?zé)崽幚?形成均一穩(wěn)定的氮摻雜碳層,進(jìn)而制得具有“核--殼”結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料,以抑制電池循環(huán)過程中納米粒子之間的團(tuán)聚及體積膨脹效應(yīng),從而達(dá)到改善電池電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性的效果。
　　我們以多巴胺為碳的前驅(qū)體,對銳鈦型TiO2納米粒子進(jìn)行碳包覆改性處理。通過改變多巴胺自聚合的反應(yīng)時間,可實(shí)現(xiàn)對納米粒子表面碳層厚度的調(diào)控,并通過紅外光譜、X射線衍射、X射線光電子能譜測試、熱失重分析、透射電子顯微鏡、交流阻抗、恒流充放電

4、循環(huán)測試等方法研究了碳包覆TiO2(TiO2@C)納米復(fù)合粒子的形貌、物性及其改善電池循環(huán)穩(wěn)定性的作用機(jī)理。結(jié)果表明,通過碳包覆改性后的TiO2@C納米復(fù)合粒子的電子電導(dǎo)率和鋰離子擴(kuò)散系數(shù)均優(yōu)于純TiO2納米粒子。在室溫(25℃)條件下,以0.5C恒定倍率進(jìn)行充放電循環(huán)測試,相比于純TiO2納米粒子,TiO2@C納米復(fù)合粒子均表現(xiàn)出較為優(yōu)異的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性,尤其是碳層厚度為6nm的納米復(fù)合粒子在循環(huán)170次后,放電比容量幾乎沒有衰減,

5、具有很高的容量保留率,約為99.0％。
　　在對Si納米粒子進(jìn)行碳包覆改性處理的實(shí)驗(yàn)中,我們依然利用多巴胺在常溫常壓條件下能夠發(fā)生自聚合反應(yīng)生成聚多巴胺,并以此為碳源,經(jīng)高溫?zé)崽幚?在Si納米粒子表面生成均一穩(wěn)定的碳涂層。然后分別通過HF刻蝕和NaOH刻蝕兩種途徑,制備Si@void@C納米復(fù)合材料,對應(yīng)納米粒子表面的碳層厚度分別為15nm和26nm,相應(yīng)的碳含量分別為20.5%和23%。結(jié)果表明,Si@void@C納米復(fù)合材料在