锂离子电池硅碳负极材料的制备与性能研究

论文摘要

用高温热解法制备了硅/石墨/沥青热解碳复合材料,通过二次包覆、硼元素掺杂、铜基体刻蚀和碳酸锂溶液浸泡的方法对材料进行改性。采用XRD和SEM测试分析材料的结构和形貌,通过充放电测试、循环伏安及电化学阻抗谱测试研究材料的电化学性能。在900℃下热解制备了硅/石墨/沥青碳复合材料,对比研究了组分不同比例时复合材料的性能,其中硅15mass%石墨35mass%材料性能最佳,首次可逆容量为621.3mAh/g,40次循环后为398mAh/g。二次包覆在一定程度上提高了材料的循环性能,对于硅20mass%石墨20mass%复合材料40次容量保持率,一次包覆的材料为58.1%,二次包覆的材料为66.6%。此外对比了PVDF和SBR两种粘结剂对材料循环性能的影响,发现SBR做粘结剂时能够在一定程度上提高材料的循环稳定性。考察了硼掺杂对材料的性能影响,发现随着硼的质量分数增多,材料的容量先增加后降低,当硼含量为7.5mass%时,复合材料具有较高的脱锂容量和较好的循环稳定性,其首次嵌脱锂容量分别为1531mAh/g和1120.6mAh/g,经25次循环后容量下降缓慢,40次后脱锂容量基本稳定在460 mAh/g,容量保持率为41%,较不掺杂硼材料的容量高且循环稳定性好。用0.15mol/L的FeCl3溶液对铜基体进行刻蚀处理,对比了不刻蚀和刻蚀3min,6min后电池的性能。发现刻蚀3min几乎没有影响,刻蚀6min时效果最好,此时硅25mass%石墨25mass%材料的40次容量保持率为58.2%,不刻蚀的40次容量保持率为45.9%。从电化学阻抗谱知,铜箔刻蚀6min的电极在40次循环后阻抗较小。用饱和碳酸锂溶液和掺杂碳酸锂法对硅/碳复合材料进行了处理。对比发现,掺杂碳酸锂后材料首次容量提高,但随后循环中容量就低于不处理材料的容量,循环性能下降。用溶液浸泡的材料,虽然前几次容量比未处理材料的低,但其容量下降慢,循环性能比未浸渍材料有明显的提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 锂离子电池简介
• 1.2.1 锂离子电池的发展简史
• 1.2.2 锂离子电池的组成和工作原理
• 1.2.3 锂离子电池正极材料研究概况
• 1.2.4 锂离子电池负极材料的研究概况
• 1.3 硅基负极材料
• 1.3.1 纯硅的性能研究
• 1.3.2 硅/惰性组分复合材料的性能研究
• 1.3.3 硅合金的性能研究
• 1.3.4 硅/碳复合材料的性能研究
• 1.3.5 硅/金属/碳复合材料的性能研究
• 1.3.6 粘结剂对硅基材料性能影响研究
• 1.4 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 球磨法制备硅材料
• 2.2.2 硅/碳复合材料的制备
• 2.2.3 浸渍法制备改性复合材料
• 3 溶液对铜基体刻蚀处理'>2.2.4 FeCl₃溶液对铜基体刻蚀处理
• 2.3 物理测试
• 2.3.1 X 射线粉末衍射
• 2.3.2 扫描电子显微镜
• 2.4 电极制备及电池装配
• 2.4.1 电极制备
• 2.4.2 电极片热处理
• 2.4.3 电池组装
• 2.5 电化学性能测试
• 2.5.1 电池充放电测试
• 2.5.2 电池循环伏安测试
• 2.5.3 电池电化学阻抗谱测试
• 第3章 硅/碳复合材料的制备及性能研究
• 3.1 单质硅的性能研究
• 3.1.1 纯硅的电化学测试
• 3.2 石墨、沥青热解碳的性能
• 3.2.1 石墨、沥青热解碳的循环伏安特性
• 3.2.2 石墨、沥青热解碳的循环性能
• 3.3 硅/石墨/沥青热解碳复合材料的性能研究
• 3.3.1 硅/石墨/热解碳复合材料的结构及形貌表征
• 3.3.2 硅/石墨/热解碳复合材料的电化学循环性能
• 3.3.3 硅/石墨/热解碳复合材料的循环伏安特性
• 3.3.4 硅/石墨/热解碳复合材料的电化学阻抗分析
• 3.3.5 循环后的电极形貌表征
• 3.4 二次包覆对硅/碳复合材料性能的影响
• 3.4.1 二次包覆材料的电化学循环性能
• 3.4.2 二次包覆材料的阻抗分析
• 3.4.3 二次包覆材料的形貌表征
• 3.5 不同粘结剂对硅/碳复合材料性能的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 硅/碳复合材料工艺的改进
• 4.1 掺杂单质硼对硅/碳复合材料的影响
• 4.1.1 Si/G/C/B 复合材料的结构及形貌表征
• 4.1.2 Si/G/C/B 复合材料的循环伏安特性与充放电性能
• 4.1.3 Si/G/C/B 复合材料的循环性能
• 4.1.4 Si/G/C/B 复合材料电极循环前后的形貌表征
• 4.1.5 不同和膏比例对Si/G/C/B 复合材料循环性能的影响
• 4.1.6 极片热处理对Si/G/C/B 复合材料循环性能的影响
• 4.2 基体刻蚀对硅/碳复合材料性能的影响
• 4.2.1 铜箔基体的表面形貌表征
• 4.2.2 铜箔基体刻蚀对循环性能的影响
• 4.2.3 基体刻蚀电极片循环前后的形貌表征
• 4.2.4 电化学阻抗分析
• 4.3 碳酸锂对硅碳复合材料性能的影响
• 4.3.1 碳酸锂处理材料的充放电性能
• 4.3.2 碳酸锂处理材料的循环性能
• 4.3.3 碳酸锂处理材料的电化学阻抗分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢