石墨烯/硅/碳复合负极材料的制备及其储锂性能研究
硅因为具有超高的理论比容量和低的放电电位等优点，被认为是最有希望的锂离子电池负极材料之一，然而，由于硅材料在嵌脱锂的过程中容易发生严重的体积膨胀，造成电极材料的破坏，同时硅的导电性较差，这些缺点限制其商业化应用。将硅材料纳米化或与碳材料复合化可以显著降低硅材料的体积效应。本文利用二氧化硅机械性能良好和碳材料导电性能优异的特点，采用不同的方法，制备出多种结构新颖、形状可控和循环性能良好的硅碳复合负极材料。 以不同粒径的纳米硅为原料，利用正硅酸乙酯的水解反应在纳米硅颗粒表面包覆厚度约为10nm的SiO2，在SiO2/Si材料的基础上分别以蔗糖和间苯二酚-甲醛树脂为碳源制备得到碳/SiO2/硅复合材料，对材料进行结构表征和电化学性能测试，发现SiO2和碳对纳米硅形成了双重包裹，SiO2薄层具有较强的机械性能，限制了硅在锂化过程中的膨胀程度，碳层除了作为保护层外，还可以利用其优良的导电性为离子和电子提供传输通道。利用无定形SiO2和碳所具有的化学惰性、多孔性和选择性渗透等优点，显著提高了材料的循环稳定性。 采用表面改性、静电自组装和高温热还原制备得到石墨烯/SiOx/硅复合材料，结果显示粒径在30-50nm之间的硅颗粒被包裹在石墨烯片层内形成三维结构。在0.05A·g-1的电流密度下，电极材料首次可逆容量达到1050mAh·g-1，库仑效率达到61.71％，经过30次循环后电极容量仍高达1029mAh·g-1，容量保持率为98％，库仑效率稳定在95％以上，表现出远高于原料硅的容量和循环稳定性。 在碳/SiO2/纳米硅复合材料基础上制备得到石墨烯/硅/碳复合材料，该材料呈现明显的三维多孔结构。加入石墨烯后虽然材料首次库仑效率有所降低，但倍率性能明显提升。这是由于石墨烯良好的导电性和独特的褶皱结构，缩短了离子传输路径，为离子和电子提供了更多的传输通道。
锂离子电池;电极材料;二氧化硅;碳材料;制备工艺;储锂性能;循环稳定性
北京化工大学
硕士
材料工程
赵东林;董明
2016
中文
TM912;TM242:TM205.1
95
2017-01-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）