三維多孔鎳負(fù)載硅-錫基復(fù)合物鋰離子電池負(fù)極的電沉積制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、硅/錫基負(fù)極材料由于具有極高的理論容量而有望取代碳系電極以滿足下一代高性能鋰離子電池高容量、大倍率充放電、長循環(huán)壽命以及高安全性的要求，然而，Si/Sn在鋰嵌入和脫出過程中的嚴(yán)重體積效應(yīng)容易使電極材料碎裂粉化，從而造成容量衰減和循環(huán)穩(wěn)定性降低。目前諸如納米化和復(fù)合化的制備方法對設(shè)備有很高的要求且工藝復(fù)雜，難以實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。電沉積法制備硅/錫基負(fù)極材料簡單易控制、對設(shè)備要求低且能避免使用導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，是一種低成本的制備方法。盡管

2、如此，電沉積的硅/錫基材料存在質(zhì)量不易增加、與集流體結(jié)合力差以及在充放電循環(huán)過程中易從集流體上脫落等問題。因此，探究能夠增加電沉積量、增強(qiáng)與基底的結(jié)合力以及有效緩沖Si/Sn在循環(huán)中體積效應(yīng)的方法，對實現(xiàn)電沉積硅/錫基負(fù)極材料的大規(guī)模應(yīng)用具有重要意義。
　　鑒于以上情況，本文提出兩步電沉積制備三維多孔 Si-O-C/Ni與Sn-O-C/Ni復(fù)合物負(fù)極的方法，利用三維多孔鎳集流體的枝晶結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)復(fù)合物材料的循環(huán)性能。同時，系統(tǒng)的研究

3、了Si-O-C與Sn-O-C復(fù)合物的制備工藝、化學(xué)組成以及嵌脫鋰反應(yīng)過程。本文的主要內(nèi)容如下：
　　1.利用氫氣泡模板法在含NH4Cl與NiCl2·6H2O的無機(jī)電鍍液中電沉積制備三維多孔鎳集流體，當(dāng)電沉積電流密度為3.0 A cm-2，時間為60 s時能夠制備孔徑約5μm的多孔結(jié)構(gòu)。結(jié)合XRD、XPS對其相組成和組成成分進(jìn)行表征，表明多孔鎳主要是由金屬鎳組成，而表層存在 Ni2O3與NiCl2成分，循環(huán)伏安測試和恒流充放電測試也

4、證實了Ni2O3的存在。
　　2.以三維多孔鎳為集流體，從含SiCl4的有機(jī)溶液中采用10 C庫侖量電沉積制備三維多孔Si-O-C/Ni復(fù)合物厚膜負(fù)極，F(xiàn)ETEM與XPS分析結(jié)果表明Si-O-C復(fù)合物由非晶態(tài)SiOx與C、O元素組成的有機(jī)溶劑非晶態(tài)分解產(chǎn)物構(gòu)成。三維多孔結(jié)構(gòu)和非晶態(tài)分解產(chǎn)物均能有效緩沖Si在嵌脫鋰過程中的體積效應(yīng)并獲得高循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)良的倍率性能。通過分析電極循環(huán)不同次數(shù)后的微觀形貌，得出電極材料出現(xiàn)裂紋和粉化碎裂

5、是造成容量衰減的主要原因。
　　3.在三維多孔鎳集流體上從含SnCl2的有機(jī)溶液中采用0.25 C庫侖量電沉積制備三維多孔Sn-O-C/Ni復(fù)合物薄膜負(fù)極，F(xiàn)ETEM與XPS分析表明Sn-O-C復(fù)合物是納米多晶Sn彌散分布在C、O元素組成的有機(jī)溶劑非晶態(tài)分解產(chǎn)物中構(gòu)成的。多孔枝晶間的空隙和非晶態(tài)分解產(chǎn)物都能有效緩沖Sn在嵌脫鋰過程中的體積效應(yīng)并獲得高循環(huán)穩(wěn)定性。不同循環(huán)周次下完全嵌鋰狀態(tài)的EIS表明電極界面電阻隨循環(huán)次數(shù)增加而增大