论文部分内容阅读
由于新型电动汽车和移动电子设备的兴起,商用的锂离子电池满足不了人们越来越高的能量密度要求,开发下一代锂离子电池迫在眉睫。电极材料是影响电池能量密度的关键因素,对于负极而言,商用锂离子电池所使用的石墨负极由于理论比容量较低等问题(372 mA h g–1),难以满足高速发展的锂电行业。硅作为下一代锂离子电池的负极材料,具有很高的理论比容量(4200 mA h g–1),并且有低电位和无污染的优点,引起学术界和产业界的极大关注。然而,硅基负极材料存在较大的体积效应（>300%）,导致其可逆容量迅速衰减,距离大规模商业使用仍有一定的距离。本论文主要研究硅碳纳米复合负极材料的制备及其电化学性能。我们研究微米Si颗粒和纳米Si颗粒的循环稳定性提高的方法,取得了良好的效果。另外,本论文提出以球磨法制备非晶Si/C纳米复合物,显示出良好的钠离子电池电化学储钠性能。本论文主要研究内容与结果如下:（1）结合还原氧化石墨烯的柔性和自支撑的特点,选用商业化的微米级Si颗粒作为Si源,发展了低成本法制备了Si/GO纳米复合薄膜。同时,引入PMMA作为造孔剂,在所制得的纳米复合薄膜中引入纳米孔,有利于缓解微米级Si颗粒在充放电过程中的体积变化。在Ar/H2气氛下进行热处理,同时实现PMMA的分解和GO的还原,最终获得了Si/rGO多孔复合薄膜。研究发现,所制得m-Si/rGO多孔薄膜的循环稳定性得到了提高,在充放电循环200圈后可逆容量保持在1000 mA h g–1以上。（2）以原位生成的Fe3O4纳米颗粒为模板,制备了core-shell结构的Si/C复合电极材料。Fe3O4纳米颗粒可催化分解低浓度的乙炔（C2H2）气体,解决了低浓度的C2H2气体难以直接在Si颗粒表面沉积碳的问题。此外,Fe3O4纳米颗粒易于去除,提高了实验的可操作性。通过对Fe/Si比例、C2H2反应时间和C2H2分解温度等反应条件的优化,成功制备了core-shell结构的Si/C复合电极材料。作为锂离子电池负极,所制得的Si/C复合电极材料显示出优异的电化学性能,在200 mA g–1电流密度下,充放电100次后比容量稳定在1000 mA h g–1。然而,在同样测试条件下,由纯Si颗粒组装的电极比容量快速衰减至700 mA h g–1以下。该研究工作提出了一种新型的具有双功能的催化剂与模板,为设计Si/C空心复合纳米结构提供了一个新的研究思路。（3）以商业Si和石墨颗粒为原料,通过简单的球磨方法制备Si/C复合物,研究了Si/C复合材料的储钠特性。通过调控复合材料的结晶度与颗粒大小,使原来无储钠活性的Si/C复合材料显示出良好的钠离子电池电化学性能。该Si/C复合材料在100mA g–1电流密度下,循环100圈后比容量达到280 mA h g–1。在1000 mA g–1电流密度下比容量170 mA h g–1,稳定循环500圈。该研究工作首次提出了以球磨方法制备Si/C复合材料用于钠离子电池负极材料,为硅基负极材料在电化学储能方向的应用提供了新的思路。