硅基复合纳米材料的制备及储锂性能优化

发布时间：2025-05-27 00:35

　　具有高能量密度和长循环寿命的锂离子电池（LIB）被广泛用于电动汽车和便携设备的储能系统中。市场对更优性能锂离子电池的应用需求激发了业界围绕新型电极材料的研究热情。硅基材料因其高理论容量(Li₂₂Si₅,4200 mAh·g^-1)、低放电电压（0.5 V vs.Li/Li⁺）、来源广泛等优势而成为有前景的负极材料,并受到了人们的广泛的关注。尤其是当电池处于快速充放电或者低温条件下时,硅基材料能有效避免商用阳极（石墨）表面的析锂现象,这让硅基材料可替代它成为新型长续航动力锂离子电池的重要负极材料。可是,纳米尺寸的硅基材料的团聚以及在（去）锂化过程中体积效应（>300%）会产生一系列限制硅负极应用的问题,如:硅晶体裂化、电极结构崩塌、电极内部电接触劣化等。本文针以上问题,由结构设计出发,选用“piranha溶液腐蚀法”处理商业化的纳米Si材料,在改进其亲水性同时缓解纳米硅颗粒聚集严重的问题。进一步地,通过引入硼、氮元素共掺杂的碳材料对其进行包覆,来兼顾“原位包覆”与“导电骨架材料”的特性;此外,本论文...

【文章页数】：94 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图1-2锂离子电池构造示意图

与传统的铅蓄电池构造相差无几,商业化的软包锂离子电池也是由保护壳、正极、隔膜(特殊复合膜)、负极、有机电解液、极耳、正温度控制端子(PTC)这几部分构成[17]。虽然不同工作要求的锂离子电池形态大小略有不同,但是锂离子电池四个主要组成部分均为正极、负极、电解液、隔膜(图1-2)。....

图1-3锂离子电池工作原理示意图[23]

1.1.3锂离子电池工作原理“摇椅电池”也是LIBs常用的称谓,循环过程中锂离子的浓度均会在正极和负极发生化学能与电能相互转化的反应过程中来回变换,并透过隔膜通过电解质在正负极之间定向移动。如图1-3所示:充电时,正极材料中的Li+脱出,并以电解液为介质穿过隔膜嵌入负极,并以独....

图1-4室温下Li/Si电化学电池的充放电循环过程中,形成的相与比容量的函数关系(Li15±w Si4表示相化学计量比的变化。LiySi,LixSi和LizSi符号表示具有不同组成的非晶态Li-Si相。LiySi和LizSi是具有固定成分的非晶相,而LixSi中的Li含量会变化。)[48]

放电过程:Kwon等人通过XRD发现在锂薄膜锂化过程中,较高温度下会出现Li21Si5相。并通过实验表明:在低于约85oC时,形成的Li15Si4相作为最终晶相;在高于100oC的温度下,锂化结束时形成Li21Si5相。如果在室温下对Si进行锂化,但在锂化后电压相对于Li/Li+....

图1-5硅基材料的失效机理分析[50]

1.3.2硅负极的主要问题及改善策略硅基材料失效的主要机理如图1-5所示:①电池反复充放电过程中伴随着硅基材料的相变转换:“Si(结晶态)→LixSi(无定形态)→Li15Si4(晶态)→Si(非晶态)”,相变转换过程中,体积效应所引发的材料内部应力最终导致了晶体硅的破裂、破碎....

本文编号：4047230