【摘 要】
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石墨负极材料的实际比容量现已接近理论值,无法满足锂离子电池高能量密度要求,开发高性能负极材料是当前重要研究方向。在众多新型负极材料中,氧化亚硅(Si O)具有较高的理论比容量、资源丰富、环保等优势,成为了新一代的热点负极材料。然而,Si O因其较大的体积变化和低的导电率等缺点表现出差的循环和倍率特性,严重迟滞了它的商业化进程。本论文从复合的角度出发,通过引入碳材料或二氧化钛(Ti O2)来对Si
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石墨负极材料的实际比容量现已接近理论值,无法满足锂离子电池高能量密度要求,开发高性能负极材料是当前重要研究方向。在众多新型负极材料中,氧化亚硅(Si O)具有较高的理论比容量、资源丰富、环保等优势,成为了新一代的热点负极材料。然而,Si O因其较大的体积变化和低的导电率等缺点表现出差的循环和倍率特性,严重迟滞了它的商业化进程。本论文从复合的角度出发,通过引入碳材料或二氧化钛(Ti O2)来对Si O进行改性,进而改善其电化学性能。(1)分别以聚乙烯吡咯烷酮和柠檬酸为碳源,通过高温固相法制备了碳包覆Si O复合材料,分别对应为Si O@C-1和Si O@C-2,采用多种电化学表征手段系统研究了碳源的差异性对材料储锂特性的影响,揭示了1)碳材料可作为缓冲层缓解材料的体积变化,提高材料的结构稳定性;2)柠檬酸碳化得到的碳材料具有更高的石墨化度,对电子导电性有更好的改善作用。Si O@C-2材料在1.0 A g-1下循环150次后,可逆比容量可达242 m Ah g-1,而Si O材料在相同的测试条件下仅可获得82 m Ah g-1的可逆比容量。(2)以Ti O2和钛酸四丁酯为钛源,分别通过固相混合和溶胶凝胶法制备了Si O-Ti O2和Si O@Ti O2复合材料,对其储锂性能展开了系统研究,并采用交流阻抗分析其反应动力学过程。研究结果表明,Ti O2改性后,电极结构稳定性和离子扩散动力学得到了显著提升。其中Si O@Ti O2复合材料展现出更优的储锂特性,归功于由溶胶凝胶法得到的Ti O2与Si O之间具有更紧密的接触,更有利于电极/电解液界面稳定性的提升。Si O@Ti O2的首次库仑效率为68%,在1.0 A g-1循环150次后,仍可保持239 m Ah g-1的可逆比容量,保持率为33%,而Si O在150次循环后仅留有155 m Ah g-1的比容量和13%的保持率。(3)以钛酸四丁酯为钛源,柠檬酸为碳源,通过溶胶凝胶结合高温固相法制得Si O@Ti O2/C复合材料,借助多种测试手段分析其储锂性能,并探究了钛酸四丁酯加入量对复合材料电化学特性的影响。通过对比研究Si O@C和Si O@Ti O2/C电化学性能,发现Si O@Ti O2/C复合材料在循环和倍率性能方面有了较大的提升,源于Ti O2对电极界面稳定性及锂离子扩散速率的促进作用。在1.0 A g-1下循环150次后,Si O@Ti O2/C材料的可逆比容量维持在710 m Ah g-1,而Si O@C仅保留258 m Ah g-1的比容量;在4 A g-1下,Si O@Ti O2/C能实现431m Ah g-1的充电比容量,远高于同等测试条件下的Si O@C(77 m Ah g-1)。
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