硅纳米负极材料的化学法制备及其锂离子电池性能
硅纳米材料作为锂离子电池负极材料具有良好的性能，是新一代高比能量锂离子电池中代替石墨负极最富潜力的材料之一。因此，高效制备硅纳米电极材料的研究就显得尤为重要。本论文立足于设计新的反应体系、发展新的化学路线制备硅纳米材料，采用镁粉为还原剂，以廉价的硅酸盐、硅氧化合物以及工业初硅等为硅源，建立熔盐、水热等反应体系以及空气氧化去镁等方法合成硅纳米电极材料，研究其中的反应机理，并对获得的硅纳米材料进行锂离子电池电化学性能研究，为进一步实现高性能的硅纳米电极材料宏量制备提供路线。具体的内容如下: 1、发展了熔盐体系中的镁热还原二氧化硅制备硅纳米材料的反应。在700℃下形成Mg-NaCl-KCl的无机液相共熔体，首次利用柯肯达尔效应制备中空硅纳米材料，摆脱了传统镁热还原反应具有保型性的限制，为硅纳米材料的形貌调控提供路线。制备得到的中空硅纳米囊泡型材料，产率高达80％，在没经任何修饰的情况下，0.36A g-1电流密度下循环200圈比容量保持712mAh g-1。 2、提出了低温镁还原九水硅酸钠制备硅纳米材料的方法。在200℃下，利用镁还原九水硅酸钠晶体制备了蜂窝状的硅纳米材料，该反应温度是工业上碳热还原二氧化硅(1400℃)制备硅材料的七分之一，是镁热还原二氧化硅(650℃)的三分之一。机理分析显示，在反应过程中结晶水起了重要的作用;得到的硅纳米材料经石墨烯复合后，在3.6A g-1下循环300圈容量保持在576mAh g-1。另一方面，该反应路线也成功的扩展至其它硅化物的低温合成，如SiC、MgSiN2等。审稿人评价该工作“对于新能源材料方面的研究者，该结果是意义深远并且是非常重要的”;“这是该领域上的一个进展”。 3、发展了一种水热镁还原硅氧化合物低温制备硅纳米材料的方法。反应温度在200℃以下，反应方程式为:(SiO2+Mg+H2O→Mg(OH)2+H2+Si)，实现了二氧化硅的低温镁还原过程。机理研究发现，水热镁还原反应中氢离子浓度影响反应起始温度，反应过程中产生的自生热以及活性氢中间体促使了反应在较低温度下发生。硅源可以采用硅溶胶、水相硅酸盐如水玻璃、无定形含水二氧化硅固体如硅凝胶、含硅矿物如硅藻土等，展示出较广的普适性，为进一步宏量制备硅纳米材料提供了基础。得到的介孔硅纳米材料在3.6A g-1下循环400圈后仍具有950mAh g-1的比容量;在电流密度高达18A g-1时，该材料的比容量还能保持在350mAh g-1。该方法可以进一步的用于制备高振实密度并且性能优异的锗负极。该负极与工业钴酸锂正极进行全电池的组装和测试，在循环100圈后容量稳定在91％。 4、从廉价的工业粗硅出发，发展了一种“嵌镁-空气氧化去镁”的路线制备硅纳米负极材料。在该反应中，硅纳米材料的产率高达90％;实验室条件下单盘产量初步达到10g，展示出可实现宏量制备的前景。制备得到的硅纳米材料具有优异的锂电池性能。在1.8A g-1下循环400圈仍具有1200mAh g-1比容量;即使在电流密度高达36A g-1时，该材料的比容量还能保持在1000mAh g-1。
硅纳米负极材料;化学合成;锂离子电池;水热还原法;熔盐辅助;电化学性能
中国科学技术大学
博士
无机化学
钱逸泰
2015
中文
TQ127.2;TM910.3
109
2015-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）