硅纳米负极材料的制备及锂离子电池电化学性能研究

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1、学校代码10530学号201510121208分类号密级硕士学位论文硅纳米负极材料的制备及锂离子电池电化学性能研究学位申请人汪盼盼指导教师黄凯副教授学院名称物理与光电工程学院学科专业物理学研究方向微纳能源材料与器件二〇一八年六月八日Preparation&LithiumionbatteriesElectrochemicalPerformanceResearchofSiliconNanoAnodeMaterialsCandidatePanpanWangSupervisorAssociateProf

2、essorKaiHuangCollegeSchoolofPhysicsandOptoelectronicsProgramPhysicsSpecializationSynthesisandPropertiesofNanomaterialsDegreeMasterofscienceUniversityXiangtanUniversityDateJune8th,2018摘要伴随着经济全球化的进程和清洁能源需求的不断高涨，寻求新的储能装置已经成为新能源相关领域的关注热点。锂离子电池由于具有体积小、容量大

3、、重量轻、无污染、能量密度高、自放电率低等特点，被认为是目前综合性能最好的储能体系之一，已应用在手机、摄像机、笔记本电脑、电动玩具、照相机以及电动汽车、摩托车启动电源等产品中。目前商用化锂离子电池主要采用石墨作为负极-1材料，具有良好的循环性能，但其理论能量密度为160whkg，不能满足人们对于锂离子动力电池能量密度的高需求。因此，开发高比容量的负极材料是解决锂离子电池容量低的有效途径。其中，硅负极锂离子电池材料因其高的理论比容量-1(4200mAhg)和较低的脱嵌锂电位(＜0.5V)而成为最有

4、希望的高容量负极材料之一。但是硅材料在充放电过程中出现的体积膨胀收缩比过大，导致材料易粉化，严重影响其电化学性能。通过将硅材料的纳米化可减小锂离子传输路径，提高其电化学性能，同时有效解决其膨胀粉化问题。因此本文主要采用了两种简单、可控、低成本的方法实现了不同结构的硅纳米材料，即对二维硅纳米片材料以及硅/碳复合纳米颗粒进行了制备、表征，同时通过优化其硅纳米材料导电性来提高其电化学性能。主要内容如下：制备二维Si纳米片。利用NaCl作为模板，TEOS（正硅酸四乙酯）为硅源。在一定的碱性环境下水解得到

5、SiO2，再通过重结晶NaCl后得到大面积、高纯度2的SiO2纳米片。再利用镁热还原方法得到高纯度、面积可达10um的二维Si纳米片。对制备的Si纳米片进行了SEM、TEM、Raman、XRD等表征，最后将Si纳米片与GO按7:3的比例复合抽滤、退火得到电极，将其作为锂电负极材料进行储锂性能测试，并将其与涂膜得到的纯Si纳米片电极进行性能对比。实验结果表明，与GO复合的Si纳米片具有很好的循环稳定性，与纯Si纳米片电极相比具有更好的电化学性能。-1制备Si/C的纳米颗粒。首先将商业粉煤灰以300

6、rmin的转速球磨24h得到500nm左右的粉煤灰颗粒，利用高浓度H2SO4、HCl进行除杂，得到纯二氧化硅纳米颗粒，然后将其分散在过饱和葡萄糖水溶液中，800℃碳化得到SiO2/C，直接将其通过镁热还原、酸洗得到Si/C结构。对制备的Si/C进行了SEM、TEM、Raman、XRD等的结构表征，并就含碳量做了TGA测试。最后将Si/C与炭黑、PVDFI以7:2:1的比例进行涂膜、退火后制得电极，将其作为负极材料进行储锂性能测试。结果表明，该材料具有较好的循环性能。关键词：硅纳米材料；镁热还原；

7、储锂性能；锂离子电池IIAbstractWiththeprocessingofeconomicglobalizationandthecontinuousgrowthindemandforcleanenergy,Searchingfornewenergystoringdevicehasbeenahottopicintheareaofnewenergyrelatedfields.Lithium-ionbatteryisdeemedtobeoneofbestcomprehensiveenergysto

8、ragesystemsduetoitssmallvolume,largecapacity,lightweigh,nopollution,highenergydensity,lowself-dischargerate,Andithasbeenappliedtovariouselectricproductssuchasmobilephone,videocamera,laptop,electronictoysandelectronicvehicle.Atpresent,commerciallithiu