锂离子电池Si-TiO2纳米复合负极材料的结构设计与优化
硅(Si)的理论比容量高达4200 mAh g-1，远高于传统的锂离子电池负极材料石墨的理论比容量(372 mAh g-1)，被认为是最具有应用潜力的锂离子电池负极材料。此外Si的嵌锂电位低至0.5 V，地壳储量丰度达26.3％，且无毒、价格低廉。然而Si在脱嵌锂过程中，体积变化非常显著（可达400％），导致活性材料粉化，从集流体上脱落，造成电池的容量迅速衰减。这一弊端严重阻碍了Si材料在锂离子电池中的应用。 为了解决Si在脱嵌锂过程中容量迅速衰减的问题，研究者采取了不同的手段来抑制Si在充放电过程中的体积变化，从而有效地改善了Si的电化学性能。其中，一些研究者制备了不同结构的小尺寸、低维度Si材料，例如Si纳米线、Si纳米纤维、Si纳米管、介孔Si纳米微球、Si薄膜等，来解决Si的容量快速衰减问题。有些研究者采用包覆手段，尝试制备出Si与石墨、或者其它纳米材料，例如与N、Ag、Ti、TiN、 Al2O3等进行复合。相比于原始Si材料，经过包覆以后，材料的电化学性能有显著的提高。 电解液与活性材料之间能否形成稳定的固体电解质界面膜(SEI膜)，是阻碍Si基材料商业化的另一重要因素。如果SEI膜在充放电过程中不能稳定存在，会导致活性材料与电解液之间持续发生副反应，从而减少电池的循环寿命。而对材料进行表面的包覆，是一种被广泛应用的稳定SEI膜的方法。 在本课题组之前的工作中，已经利用水热法成功制备出了Si/TiO2复合材料，并且改善了其电化学性能。但是复合材料中的Si颗粒并没用被TiO2纳米颗粒完全、均匀的包覆，有一部分Si仍然裸露在外面。在电池的充放电过程中，TiO2纳米颗粒包覆层并不能有效的抑制Si的剧烈体积变化。因此导致其对Si材料电化学性能的改善非常有限，经过50周的循环以后，容量仅剩余395 mAh g-1。 在本课题组前期工作的基础上，本论文研究主要围绕以下两方面工作展开: 1.利用溶胶凝胶法制备出菠萝状结构的Si/TiO2复合材料。采用X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等仪器对样品进行了物理表征测试。并且研究了Si/TiO2复合材料的电化学性能，结果显示，Si和TiO2按照摩尔比为1∶4复合的材料显示出最优的电化学性能:经过50周充放电以后，容量仍然保持在593 mAh g-1。相比于单纯的Si、TiO2， Si/TiO2复合材料在容量以及循环稳定性方面都有很大的提高，这主要归因于Si在充放电过程中，表面的TiO2包覆层有效缓解了Si的体积变化，从而改善了其电化学特性。 2.利用原子层沉积(ALD)技术制备了一系列Si/TiO2复合材料。相比于如上所述的第一方面工作，本实验通过ALD技术定量控制了Si表面TiO2包覆层的厚度。我们采用X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、透射电子显微镜(TEM)等仪器对样品进行了物理表征。并且研究了材料的电化学性能，结果显示，纳米Si经过2 nm TiO2包覆层包覆以后，表现出最佳的电化学性能:经过50周充放电以后容量仍然能保持在776mAh g-1。这丰要归因于Si表面的TiO2包覆层有效地抑制了Si在脱嵌锂过程中的体积变化，并且在电解液与活性材料之间形成了稳定的SEI膜，从而提高了其电化学性能。
锂离子电池;溶胶凝胶法;原子层沉积;复合材料;负极材料;结构设计
河南大学
硕士
微电子学与固体电子学
张伟风;白莹
2014
中文
TM912.9;O646.541
55
2014-09-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）