硅基微颗粒负极材料的制备、碳包覆及电化学性能研究

发布时间：2025-06-28 03:53

　　纳米和亚微米尺度二氧化硅颗粒是一种重要的基础原材料,具有比表面积大、密度小、粒径可调、分散性好、化学稳定等优点,广泛用于生物医药、光电子、催化、吸附分离、工程陶瓷等诸多领域。二氧化硅颗粒还原成硅基微颗粒用于锂离子电池负极材料,已成为了该领域新的研究热点。目前,作为锂离子电池负极材料,硅基材料存在的体积效应（>300%）,充放电过程中的粉化问题以及不断形成新的固态电解质层（SEI）,严重制约着硅基材料在锂离子电池中的应用。本论文在综合论述了二氧化硅颗粒及硅基锂离子电池负极材料研究现状的基础上,模拟计算了正硅酸甲酯（TMOS）的水解、聚合机理,并以TMOS和正硅酸乙酯（TEOS）为前驱体,采用溶胶-凝胶法分别制备出二氧化硅多孔颗粒和二氧化硅单分散微球,表征了其表观形貌、粒度分布及表面特性;在此基础上,采用镁热还原法制备硅多孔颗粒和硅颗粒等两种硅基微颗粒负极材料,分析了其微观结构和电化学性能;最后,采用无定形碳包覆技术对两种硅基微颗粒进行包覆制备硅碳微颗粒负极材料,探究了碳包覆对硅基微颗粒负极材料电化学性能的影响。通过硅基材料纳米化、单分散化、多孔化、碳包覆,为硅基材料存在的体积效应、充...

【文章页数】：132 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图1.1典型溶胶-凝胶工艺流程图。

溶胶-凝胶法制备二氧化硅颗粒工艺流程如图1.1,这个过程包括硅醇氧化合物的水解和缩合,如四乙基硅烷或无机盐,如水玻璃,在无机酸(如盐酸)或碱(如氨水)的存在下作为催化剂[5]。使用硅醇氧化合物制备二氧化硅的溶胶-凝胶法中,由TEOS形成二氧化硅颗粒的一般反应过程为TEOS分子水解....

图1.2通过硬模板法制备的二氧化硅微球的SEM图像(标尺=1000nm)[6]

硬模板法通过使用硬球形颗粒作为模板来构造空心内部结构在方法上很简单,并且是具有良好稳定性和可控性的常规空心化方法。通常它包括四个主要步骤:(1)制备硬模板;(2)对模板表面进行功能化修饰以有利于表面涂层;(3)添加自组装表面活性剂和硬颗粒表面上水解的TEOS;(4)使用适当的溶剂....

图1.3中空多孔硅纳米粒子的TEM图像[7]

与硬模板方法相比,软模板方法是一种大规模合成二氧化硅空心纳米球的相对容易的方法,因为它通常是一步式方法,不需要制作和修改硬模板。几种常见的软模板包括水包油乳液、表面活性剂囊泡、聚合物聚集体和气泡。但是,一些些依赖于热力学平衡制备方式,通过软模板方法制备得到的通常是尺寸不确定的球形....

图1.4通过同时使用囊泡模板法和液晶模板法,合成了类似于具有内部多壳的蚕茧的二氧化硅纳米结构。(CTA+=鲸蜡基三甲基铵PFO-=全氟辛酸)[8]

溶胶-凝胶法还可以制备具有多个壳层的微球,即具有不同直径的多个同心壳的微球。通过选择两种模板剂(双模板剂或助表面活性剂)并调节双模板剂的比例以调节填充参数,从而改变自组装表面活性剂聚集体的结构。Yang[8]等报道了一种复杂的二氧化硅多层结构的合成,如图1.4,这种结构具有一种不....

本文编号：4054383