论文部分内容阅读
电池作为能源储存方式之一,广泛应用于日常生活的各个领域,而锂离子电池因为能量密度高、循环性能好、工作电压高、环境友好等优点,在电池生产和应用中占据主导地位。随着科技和生活水平的日趋提高,锂离子电池的研究和发展要求具有更高的能量密度。二氧化硅作为地球上储量最丰富的材料之一,其理论比容量达到了1965 mA h g-1,使其成为锂离子电池负极材料研究热点之一。但是SiO2本身导电性差,且其在充放电过程中材料会发生较大的体积形变,致使电极结构破坏,容量快速衰退,因此通常需要添加导电能力强、富有弹性的碳材料,以制备二氧化硅/碳（SiO2/C）复合锂离子电池负极材料。本文以生物质稻壳（rice husks,RHs）为原料,利用稻壳中多孔的二氧化硅纳米粒子和有机碳成分的天然优势,经过热解、酸洗处理后,再通过机械球磨操作,制备稻壳基SiO2/C复合锂离子电池负极材料。本论文着重研究了机械球磨时间、球磨转速对SiO2/C复合材料结构形貌和电化学性能的影响,所取得的主要研究结果如下:（1）稻壳经过热解、酸洗处理后得到RH-SiO2/C混合物,固定球磨转速为800 rpm,不同球磨时间下进行机械球磨,获得稻壳基SiO2/C复合材料。随着球磨时间的增加,RH-SiO2/C混合物中SiO2粒子的团聚现象逐渐减少,烧结的炭块被打散为较小的颗粒,达到足够细小尺寸的碳粉包覆在SiO2纳米粒子表面;当球磨时间为12 h时,生成的SiO2/C-12复合材料的平均粒径最小,粒度分布均一,其展现的电化学性能也最优秀,数据如下:电流密度为100 mA g-1时,首次放电比容量为1416 mA h g-1,300次循环后放电比容量稳定在827 mA h g-1,大电流密度1.0 A g-1时,其比容量仍大于400 mA h g-1,表现出良好的循环性能和倍率性能。（2）球磨时间固定为12 h,在不同球磨转速下加工RH-SiO2/C混合物,获得SiO2/C复合材料,测试其电化学性能,最高转速800 rpm下获得到的SiO2/C-800复合材料的首次放电比容量、首次库伦效率、稳定比容量最优异,依据实验数据可以确定机械球磨最佳条件为800 rpm、12 h。（3）作为参照实验,尝试在最佳机械球磨条件下,以与稻壳基SiO2/C复合材料相同硅炭摩尔比的市售纳米SiO2和炭黑（carbon black,CB）为原料,制备SiO2/CB,其首次放电比容量仅为516 mA h g-1,85次循环后比容量降为348 mA h g-1,比未球磨样RH-SiO2/C混合物的电化学性能还要差(首次放电容量为631mA h g-1,100次循环后比容量为460 mA h g-1),此实验结果表明,稻壳作为SiO2基锂离子电池负极材料的原料,具有天然的结构优势。（4）稻壳基SiO2/C复合材料中碳均匀包覆多孔SiO2纳米粒子且复合材料粒子彼此相互连接形成的网络结构,增加了电极材料的锂离子储存活性位点,导致电极材料具有较高的比容量;复合材料中碳壳的均匀包覆有效缓解了SiO2活性电极在嵌脱锂过程中的体积效应,保证了电池在工作过程中电极材料的稳定性,表现出良好的循环寿命;同时SiO2/C复合材料较小的粒径尺寸和相互连接的网络结构可以有效缩短锂离子扩散和电子输运路线,保证了电极材料优秀的倍率性能。本文制备稻壳基SiO2/C复合锂离子电池负极材料,以生物质稻壳为原料,材料廉价易得、加工方法简单、制备环境友好、电化学性能优异,有望为SiO2基锂离子电池负极材料的制备和产业化应用提供一条新的思路。