高容量硅碳复合材料的制备及应用研究

论文摘要

本文通过煤焦油沥青高温热解碳包硅的方法制备了硅碳复合材料,采用XRD和SEM测试分析材料的结构和形貌,并对其电化学性能进行了研究。采用将石墨进行球磨再制备硅碳复合材料的方法提高了复合材料的首次充放电效率和循环性能。石墨预先球磨后制备的复合材料首次嵌锂比容量为864.6mAh·g-1 ,首次脱锂比容量为695.7mAh·g-1 ,首次充放电效率达到80.5%,80次循环后的比容量为263.1mAh·g-1;而未经过球磨的石墨与硅和沥青制备的复合材料其首次嵌锂比容量为860.5mAh·g-1,首次脱锂比容量为637.9mAh·g-1 ,首次充放电效率仅为72.5% , 80次循环后的比容量为191.7mAh·g-1。降低复合材料中硅的含量可以显著提高其循环稳定性。研究发现Si、石墨、沥青热解碳质量百分比为20%:40%:40%的复合材料40次循环后的容量保持率为57.5%,而Si、石墨、沥青热解碳质量百分比为25%:25%:50%的复合材料40次后的容量保持率仅为47.9%。采用适合水性配料体系的石墨制备了硅含量为20%的复合材料,采用水性体系配制浆料,发现100次循环后,复合材料容量保持率在62%以上。研究对比了采用水性体系和油性体系配制浆料对复合材料循环稳定性的影响。经过40次循环后,水性体系比容量由首次729.7mAh·g-1降低到594.4mAh·g-1,容量保持率为80.3%;而采用油性体系比容量由首次744.3mAh·g-1降低到441.0 mAh·g-1,容量保持率仅为59.1%。采用适合水性配料体系的石墨球磨后制备硅碳复合材料及采用水性粘结剂制备负极,进行了放大实验做全电池,对比了硅碳复合材料和日立化成MAG的振实密度、压实密度以及做成全电池的放电均值电压等。在放大实验时,硅碳复合材料的振实密度为0.64g·cm-3,压实密度为1.35g·cm-3,做成全电池的放电均值电压为3.5V,充放电截止电压为2.74.2V。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池概况
• 1.2.1 正极材料研究进展
• 1.2.2 负极材料研究进展
• 1.3 硅基材料的研究进展
• 1.3.1 纯硅的研究现状
• 1.3.2 硅-合金的研究现状
• 1.3.3 硅-非金属的研究现状
• 1.4 粘结剂概况
• 1.4.1 粘结剂的作用及性能
• 1.4.2 对粘结剂的性能要求
• 1.4.3 粘结剂的种类
• 1.4.4 粘结剂在硅基复合材料电极中的研究现状
• 1.5 本文的研究目的和内容
• 第2章 实验材料及方法
• 2.1 实验药品与仪器
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 材料的制备
• 2.2.1 硅碳复合材料的制备
• 2.2.2 球磨法处理材料
• 2.3 物理测试
• 2.3.1 X 射线粉末衍射（XRD）
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.3 比表面积测试
• 2.3.4 粒径分布测试
• 2.3.5 振实密度测试
• 2.4 电极制备及电池装配
• 2.4.1 电极制备
• 2.4.2 电池装配
• 2.5 电化学性能测试
• 2.5.1 充放电测试
• 2.5.2 循环伏安测试
• 2.5.3 电化学阻抗谱测试
• 第3章 硅碳复合材料的制备及改性研究
• 3.1 引言
• 3.2 单质硅的性能研究
• 3.2.1 纯硅的结构及形貌特征
• 3.2.2 纯硅的电化学测试
• 3.3 硅碳复合材料的制备及性能
• 3.3.1 硅碳复合材料的结构设计
• 3.3.2 硅碳复合材料的制备
• 3.3.3 硅碳复合材料的结构及形貌特征
• 3.3.4 硅碳复合材料的电化学性能
• 3.3.5 不同面密度对硅碳复合材料循环性能的影响
• 3.4 硅碳复合材料循环性能提高的途径
• 3.4.1 石墨进行球磨对复合材料循环性能的影响
• 3.4.2 改变硅碳复合材料制备配方对循环性能的影响
• 3.4.3 配料体系对硅碳复合材料循环性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 水性体系对硅碳复合材料性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 适合水性体系的石墨球磨前后的性能研究
• 4.2.1 石墨球磨前后的物理性质
• 4.2.2 石墨球磨前后的结构特征
• 4.2.3 石墨球磨前后的电化学性能
• 4.3 适合水性体系的石墨制备硅碳复合材料
• 4.3.1 硅碳复合材料的结构和形貌
• 4.3.2 硅碳复合材料的电化学性能
• 4.4 配制浆料时导电剂含量对水性体系循环性能的影响
• 4.5 水性体系和油性体系电化学性能比较
• 4.5.1 循环伏安特性比较
• 4.5.2 循环性能比较
• 4.5.3 交流阻抗比较
• 4.6 硅碳复合材料采用水性体系做全电池的初步研究
• 4.6.1 放大实验制备硅碳复合材料的物理性能
• 4.6.2 放大实验制备硅碳复合材料的形貌特征
• 4.6.3 全电池的工艺研究
• 4.6.4 全电池的电化学性能
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢