激光烧结si-sn锂离子电池负极材料组织与性能

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1、专业学位硕士学位论文激光烧结Si-Sn锂离子电池负极材料组织与性能MicrostructureandPerformanceofSi-SnAnodeMaterialsforLithiumIonBatteriesFabricatedbyLaserSintering作者姓名：张方方工程领域：材料工程学号：31505025指导教师：王存山完成日期：2017.10大连理工大学DalianUniversityofTechnology大连理工大学专业学位硕士学位论文摘要清洁高效的锂离子电池已经广泛应用于生活的各方面。但是，目前商业化的碳负极材料由于比容

2、量偏低，已渐渐不能满足高速发展的社会对能源的需求。因此高容量、高比能、循环稳定的锂离子电池负极材料是目前开发的热点。在诸多高比能负极候选材料-1中，Si因在室温下嵌锂时形成Li15Si4合金，其理论储锂容量为3579mAhg，几乎是石墨负极的10倍，已使其成为最有潜力的商业化负极材料之一。但是Si在嵌脱锂时巨大的体积效应，导致电极结构易崩塌、粉碎，破坏原有的导电网络，使得电极容量快速衰减，循环性能变差。为解决Si负极材料循环稳定性差的问题，本文采用激光烧结制备复合化和纳米化的Si-Sn负极材料来缓解Si充放电时的体积效应。采用激光烧结法制

3、备了Si-Sn锂离子电池负极。利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、电化学工作站和电池测试系统，系统分析了激光扫描速度对电池负极微观组织和电化学性能的影响。结果表明，不同激光扫描速度下电池负极皆是由分布于Si基体上的颗粒状Sn组织所构成。随着激光扫描速度的增加，组织中Sn颗粒数量逐渐增多，表面微裂纹逐渐减少，电极片的结构完整性越来越好。当激光扫描速度为60mm/s-1时，电池负极具有最佳的电化学性能，其在100mAg的电流密度下，首次可逆容量和-1首次库伦效率相较未激光烧结的试样分别提高了130mAhg和12.30%，且其电化学

4、阻抗也有明显降低。为进一步改善Si-Sn锂离子电池负极的电化学性能，选取粒度约为20nm的Si取代微米尺度的Si，在上述优化参数下激光烧结制备Nano-Si-Sn锂离子电池负极。结果表明，Si粉体粒度的改变并未导致电极的相组成发生相应改变，其仍是由Si和Sn两相所组成。但因纳米颗粒高的表面能，在电极局部微区出现了纳米Si团聚现象。Nano-Si-Sn-1锂离子负极不仅具有良好的结构完整性，而且其在100mAg的电流密度下循环充放电的首次库伦效率即可达到65.02%，10次循环后库伦效率保持在95%以上，100次循环-1后的可逆容量仍在30

5、0mAhg，与微米级Si-Sn锂离子电池负极相比，其电化学性能得到明显提高。关键词：锂离子电池；激光烧结；Si-Sn负极材料；电化学性能-I-大连理工大学专业学位硕士学位论文MicrostructureandPerformanceofSi-SnAnodeMaterialsforLithiumIonBatteriesFabricatedbyLaserSinteringAbstractTheenvironmentalandefficientlithiumionbatterieshavebeenwidelyusedinallaspectsofl

6、ife.Becauseofitslowspecificcapacity,thecommercializationofcarbonmaterialsgraduallycannotmeettheneedsofenergyforrapidlydevelopmentalsociety.Therefore,thelithiumionbatterieswithhighcapacity,highcharge-dischargerateandstablecyclicperformancearethefocusofpresentresearch.Inman

7、ypotentialhighcapacityanodematerials,LiisembeddedinSithatcanformLi15Si4alloyatroomtemperature.Andthe-1alloy’stheoreticalcapacityis3579mAhg.it’salmosttentimesthancarbonanodematerials.Sosiliconhasbecomeoneofthemostpromisingcommercialanodematerials.ButwhenLiisimbeddedinSi,it

8、shugevolumeeffectmaketheanodestructureeasytocollapseandcrush.Itshugevolumeeffectdestroytheorigin