高性能锂离子电池硅铁合金负极材料的设计与制备研究

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锂离子电池市场容量的扩大及能量密度更高的需求,对电极材料的性能提出了更高的要求。负极作为锂离子电池的核心组成部分,其高性能化研究是目前研究的热点。商业化的石墨的理论容量为372 m A h g-1,很难满足锂离子电池高能量密度的要求。硅基负极材料因为其高的理论比容量,有望成为下一代商业化锂离子电池的负极材料。然而,硅基材料在嵌锂过程中,存在巨大的体积膨胀,致使其循环稳定性较差。本论文以设计和制备高性能的硅基负极材料并发展其放大制备路线为主要目标,选择廉价易得的硅铁合金为硅源,通过探究球磨和煅烧条件及掺杂不同比例的石墨对其电化学性能的影响,得出最佳的工艺参数和探究组成-结构-性能之间的关联规律。主要研究内容和结果如下:(1)研究不同球磨方式对硅铁合金负极材料的结构和性能影响。采用不同的球磨方式来缩少材料颗粒的尺寸,然后通过煅烧的策略在颗粒表面引入Si Ox,进而调控材料的组成和改善材料的循环稳定性。实验结果表明,在玛瑙罐中,采用干法球磨原材料10h,然后在空气氛围下,800℃温度下煅烧4 h得到性能最优的Fe-Si@Si Ox材料。该材料在500 m A g-1的电流密度下,首圈放电容量约为1012.0 m A h g-1,循环400圈后容量保持率为59.7%。(2)研究不同球磨时间对硅铁合金负极材料的结构和性能影响。采用干法球磨的方式,将硅铁合金球磨不同的时间之后再在相同条件下进行煅烧,在材料颗粒表面引入Si Ox,制得一系列Fe-Si@Si Ox材料。实验结果表明,当硅铁合金干磨10 h后再在空气中和800℃的高温条件下煅烧4 h得到的Fe-Si@Si Ox(FS-S-10@SO)材料性能最优。该材料在500 m A g-1的电流密度下,首圈放电容量约为1012.0 m A h g-1,循环400圈后容量保持率为59.7%。(3)研究添加石墨(G)对FS-S-10@SO材料的电化学性能。利用(2)中制备得到的FS-S-10@SO材料与不同比例的石墨球磨后制备一系列的FS-S-10@SO/G复合材料并探究石墨的掺入量对FS-S-10@SO材料性能改善结果。实验结果表明,当石墨与FS-S-10@SO材料的质量比为5:3的时,复合材料显示最佳的循环和倍率性能。该材料在500 m Ag-1的电流密度下,循环500圈后其比容量仍有500 m A h g-1,容量保持率达到89.1%。
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