蛋黄--蛋壳结构硅/碳复合负极材料的制备及其电化学性能研究
硅基负极材料具有极高的理论容量，是新型负极材料的理想之选，但是硅的体积膨胀巨大，由此引发的容量衰减问题阻碍了硅负极材料的商业化应用，该问题可以通过合理的结构设计来解决。其中，蛋黄-蛋壳结构的硅/碳负极材料可以为硅预留体积变化的空间，从而大幅度提升储能的稳定性。本课题以此为聚焦点，采用不同的前驱体碳源制备了多种蛋黄-蛋壳结构硅/碳复合负极材料。具体的研究内容如下: (1)分别以葡萄糖和多巴胺为碳源，通过模板法制备了蛋黄-蛋壳结构的硅/碳复合材料Si@void@C和氮掺杂的硅/碳复合材料Si@void@NC。两种材料内部都具有空腔结构，为硅的体积膨胀提供缓冲空间。相比之下，Si@void@NC由于引入氮元素，表面活性位点增多，形成的无定形碳壳更加完整，电子传输速度增加，电化学性能更加优异。此外，通过调控蛋黄与蛋壳之间的空腔大小来匹配硅的体积膨胀，本实验中当预留的空间为硅体积的300％时，Si@void@C和Si@void@NC都具有最优的电化学性能，在100mAg-1下初始可逆容量分别为2006.4mAh g-1和1570.9mAhg-1，循环60圈后可逆容量分别为812.5mAh g-1和1235.8mAh g-1。 (2)实际上硅的体积膨胀并非各向同性，无定形碳壳虽然对硅材料有一定的保护作用，但无法承受不均匀膨胀带来的应力。为了解决这个问题，可以将碳源选择为“刚柔并济”的石墨烯，因此本文通过模板法制备了蛋黄-蛋壳结构的硅/石墨烯笼复合材料Si@void@GC。该材料利用模板形成可以根据硅的膨胀自我调控空腔形态的石墨烯笼，同时保留的褶皱状石墨烯片层构成了相互交联的二次结构，因而具有优异的电化学性能。在100mA g-1下初始可逆容量为2537.7mAh g-1，循环60圈后可逆容量为2017mAh g-1，容量保持率为80％，在1Ag-1下循环200圈后可逆容量为1469.8mAh g-1，库仑效率为98.13％。 (3)虽然还原氧化石墨烯赋予了碳壳弹性的特点，但由于其表面残留的官能团和缺陷带来了许多不可逆的副反应，造成初始库伦效率低下。本文通过两种碳源的水热碳化和脱水缩合制备了具有双碳体系的蛋黄-蛋壳结构硅/石墨烯-碳复合材料Si@void@C/rGO，以此来减少石墨烯的用量，降低副反应。该材料中的双碳不仅构建了具有空腔的蛋壳，也形成了弹性交联网络，为结构稳定和循环稳定提供了帮助。当纳米硅与氧化石墨烯的物料比为10∶1时，材料的电化学性能达到最优，100mA g-1下初始放电容量为2819.6mAh g-1，首次库伦效率为81.1％，循环60圈后可逆容量为2112.4mAh g-1。
硅基负极材料;模板法;蛋黄-蛋壳结构;电化学性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
赵东林
2019
中文
TM242;TM205.1
2019-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）