锂电池si-sbc复合负极材料的制备及其电化学性能研究

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1、分类号O61学校代码10590UDC540密级公开深圳大学硕士学位论文锂电池Si-Sb/C复合负极材料的制备及其电化学性能研究学位申请人姓名蔡惠华专业名称化学学院（系、所）化学与环境工程学院指导教师姓名任祥忠锂电池Si-Sb/C复合负极材料的制备及其电化学性能研究摘要自从进入到20世纪90年代初以来，锂离子电池作为一种新型的、环境友好的可再生储能装置已被广泛的用作各种商品的电源，范围小至手机、笔记本电脑等各种便携式电子设备大至电动汽车、轻轨云轨等交通工具。随着人们不断增长的物质需求，对于锂离子电池也逐渐有了更高的要求，追求更高容量和长循环寿命的锂离子电池是现今商业化锂离

2、子电池行业的共同目标。而商业化负极（石墨碳），由于它的比容量较低（372-1mAhg），成为现今实现这一目标的主要障碍，从而使得人们广泛研究各种负极材料。-1+硅，由于它巨大的理论比容量（4200mAhg）和较低的工作电压（约0.5VvsLi/Li）有望成为下一代锂离子电池负极材料。但是硅在脱嵌锂过程中存在的巨大体积膨胀（可达400%）最终导致材料的粉化和电接触损失，因此限制了硅基材料的广泛应用。本文主要是通过掺杂惰性金属锑（Sb）和包覆碳两种方法相结合来制备二元的硅基复合材料，从而达到改善硅基负极材料电化学性能的目的，主要内容及结论如下：1、采用聚苯胺（PANI）作为

3、碳源，通过化学还原法首先制备惰性金属锑（Sb），之后再通过物理机械球磨法和随后的高温煅烧来得到Si-Sb/C复合负极材料。非活性金属锑（Sb）的掺杂可以作为一种缓冲基质来有效缓冲硅基材料的体积效应，同时还能够提高材料的电子电导率。而聚苯胺（PANI）作为一种含碳物质，有着优异的导电性和较高的电化学活性，在高温烧结后形成的碳壳更能极大的抑制硅的体积膨胀。本文研究了材料的烧结温度，探索了不同含量的PANI所制备材料的电化学性能以及其高低温循环性能等。结果表明，对比未加入PANI的材料，包覆了碳材料的Si-Sb/C复合负极材料循环稳定性得到显著提升，其中30%PANI含量的S

4、i-Sb/C复合负极材料的首次放电比容量为937.1mAh/g，首次库伦效率高达78.58%，循环稳定性也最好，50次循环后容量保持率为78.58%。2、采用聚丙烯腈（PAN）作为碳源，通过机械球磨法和随后的碳热还原法一步得到Si-Sb/C复合负极材料。聚丙烯腈（PAN），作为一种导电聚合物相对于聚苯胺是使用更为广泛的合成碳材料的前驱体，在碳化反应过程中的能够形成稳定的梯形结构，环境友好性更强。本文首先研究了材料的烧结温度，通过X-射线衍射（XRD）和X射线能谱仪（EDS）分析得到材料的具体组成，验证了其为目标产物；探索了不同含量的PANI锂电池Si-Sb/C复合负极材

5、料的制备及其电化学性能研究所制备复合负极材料的电化学性能以及不同粘结剂对电极材料循环性能的影响。结果表明，当加入的PAN含量为40%时所制备的Si-Sb/C复合负极材料的首次放电比容量最高，达到了2602.2mAh/g，首次库伦效率也最高，达到了87.98%，且其循环稳定性也相对较好。粘结剂的选择对于硅基负极材料所制备电极的电化学性能有着非常重要的影响，相较于油系的聚偏二氟乙烯（PVDF）和水系的藻酸钠（SA），使用羧甲基纤维素钠（CMC）作为粘结剂时，电极材料的电化学性能最好。3、为了能够使材料的形貌得到改善，得到形貌规整并且性能优异的复合材料，在材料复合化的基础上对

6、材料的形貌进行了改变和控制。而纳米纤维则可以承担体积变化并应对横向和纵向的压力积累，从而保证了电极的结构稳定性。本文采用静电纺丝法和碳热还原法制备了Si-Sb/C纳米纤维复合负极材料。利用热重分析（TG）对材料的煅烧温度进行了探索，材料的成分和结晶度利用X射线衍射（XRD）和X射线能谱分析（EDS）进行了表征，所制备材料的形貌通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行了观察，同时也探索了不同含量的乙酸锑所制备材料的电化学性能。结果表明，当Si与乙酸锑的质量比为1:4时，制备的电极的首次放电比容量最高，达到了1164.2mAh/g，电极的循环稳定性最强，5

7、0次循环后容量还有725.5mAh/g，容量保持率高达62.3%。关键词:锂离子电池；负极材料；硅锑合金；碳包覆；静电纺丝；IIPreparationandelectrochemicalpropertiesstudyofSi-Sb/CalloyanodematerialsAbstractSincetheearly1990s,lithium-ionbatteries(LIB)havebeenmostwidelyutilizedaspowersourcesstoragedeviceforvariouscommodities,rangingfr