氧化亚硅基锂离子电池负极材料的制备及性能研究

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锂离子电池因自放电率低、循环寿命长和环境友好等优点被广泛应用于便携式电子设备和储能系统。负极材料作为锂离子电池的重要组成部分之一,其性能直接影响电池整体的能量密度。目前,负极材料主要为碳材料,其循环性能好,但容量低,倍率性能差,难以满足需求。氧化亚硅(SiO)作为负极材料比容量高、储量丰富、加工容易,上述优势使其发展前景广阔,成为了当前的研究热点。然而SiO体积膨胀大,反复充放电易使粘结在集流体上的活性材料开裂直至剥落,且其本征电导率低,动力学性能差,制约了其大范围应用。本研究以微米级SiO为原材料,分别通过与单斜二氧化钛(TiO2(B))、LiF和压电材料BaTiO3复合,比较不同制备方法获得的负极材料之间的性能差异,以求得到可应用于实际生产的负极材料,具体工作如下:(1)通过水热法和煅烧法制备p-SiO/TiO2(B)(P-STB)复合材料,所得材料与p-SiO相比,p-SiO/TiO2(B)复合材料的首次库伦效率为78%,且经过100次循环后,p-SiO/TiO2(B)复合材料的容量为730 mAh g-1,远高于p-SiO。经SEM观察到p-SiO表面被TiO2(B)覆盖,表面生成的TiO2(B)不仅能有效抑制p-SiO巨大的体积膨胀,还能一定程度上避免p-SiO与电解液直接接触。此外,p-SiO经TiO2(B)改性后的锂离子扩散系数和阻抗得到了很大改善,这也是p-SiO/TiO2(B)复合材料电化学性能得到提升的重要原因。(2)通过CVD法成功制备了SiO@C/graphite-LiF(SCG-LiF)复合材料,并研究了LiF对复合材料SCG-LiF的电化学影响。SCG-LiF系列的复合材料具有较好的电化学性能,其中,SCG-7.5%LiF在0.1 A g-1下经100个循环后容量保持率为91%,平均库伦效率高达99.33%,且SCG-7.5%LiF的首次库伦效率为83.5%。此外,SCG-7.5%LiF也表现出较好的倍率性能:在3.2 A g-1的电流密度下,其可逆容量为190 mAh g-1。究其原因,SiO表面致密的碳层提升了其导电性,石墨颗粒抑制了SiO的体积膨胀和团聚,LiF使SEI膜更加稳定,减少了SEI膜的反复生成与破裂。(3)通过引入纳米压电材料BaTiO3到硅碳负极中制备了SiO@C/BaTiO3/CNTs(SCB/CNTs)。其中,SCB/CNTs-712复合材料的首次充/放电比容量为771/954 mAh g-1,首次库伦效率为80.8%,经过200圈循环后可逆容量保持率为92.3%。经循环伏安法测试证实纳米BaTiO3在具有紧密结构的硅碳负极中能促进锂离子的迁移,且在一定范围内,BaTiO3含量越高,锂离子迁移速率越快。综上所述,本研究改性后的SiO基材料的首次库伦效率,倍率性能和循环寿命都得到了较大提升。
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