锂离子电池硅基氧化物复合负极材料制备及性能研究

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1、学号12101204常州大学硕士学位论文锂离子电池硅基氧化物复合负极材料制备及性能研究研究生魏恒马指导教师任玉荣学科、专业名称材料物理与化学研究方向新能源材料与器件2015年4月PreparationandpropertiesofSilicon-oxidecompositesforlithiumionbatteriesADissertationSubmittedtoChangzhouUniversityByWeiHeng-maMaterialsPhysicsandChemistryDissertationSupervisor:AssociateProfessorRenYu-rongA

2、pril，2015常州大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中以明确方式标明。本人已完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权的说明本学位论文作者完全了解常州大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属常州大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学位

3、论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。学位论文作者签名：签字日期：年月日导师签名：签字日期：年月日中文摘要锂离子电池具有比能量高、工作电压高、循环寿命长、安全性能好和无污染等优点，因而其应用范围越来越广。负极是锂离子电池的重要组成部分，一直是人们的热点。目前商业化的锂离子电池负极材料主要以石墨类碳材料为主，但其容量较低，从而制约了锂离子电池大规模应用。硅负极材料与其他负极材料相比，具有比容量高、脱嵌锂电压低，与电解液反应活性低等

4、优点，但在充放电过程中体积变化较大，造成活性物质的粉化和剥落，导致容量的迅速衰减，从而阻止了硅材料的商业化应用。与Si相比，SiO2具有更低的价格，储量更丰富，循环过程体积变化更小，是一种理想的锂离子电池负极材料。由于SiO2的强Si-O键和低电导率问题，使得SiO2电化学活性较低。本论文通过对SiO2表面包覆，静电纺丝制备SiO2/C复合纤维材料，制备SiO2@C@石墨烯复合材料等方法，增强SiO2的导电性，提高材料的电化学活性，并对材料结构和形貌进行了表征，主要研究内容如下：（1）采用在纳米SiO2表面包覆聚苯胺，并经过热处理后，制备了SiO2/C纳米复合材料。通过改变不同的碳化

5、温度，得到了不同结构和形貌的SiO2/C纳米复合材料，研究了碳化温度对材料性能的影响。碳化温度较低时，SiO2/C纳米复合材料存在大量团聚，随着碳化温度的升高，团聚现象明显减少。SiO2/C纳米颗粒类似球形，外表包覆了一层碳。同时，SiO2/C纳米复合材料颗粒间也是通过热解碳连接。测试结果表明，SiO2/C-600具有最佳的电化学性能，首次放电和充电比容量分别948.2mAh/g和676.6mAh/g，首次库伦效率为71.3%。50次循环后，可逆比容量仍然保持在600mAh/g以上。这是由于随着碳化温度的升高，碳层的结晶度和导电性提高。同时，碳层中N元素含量发生变化，而N元素含量对电

6、极电化学性能具有重要影响。（2）采用静电纺丝法制备了SiO2/PVP原丝，再经过预氧化和碳化过程，制备了SiO2/C复合纤维材料。通过改变纳米SiO2加入量，得到了不同形貌的复合纤维材料，研究了SiO2的加入量对复合纤维材料电化学性能的影响。复合材料具有纤维状形貌，纤维直径在500nm左右，且纤维弯曲。纤维间纵横交错形成网状分布，纤维间也存在大量的空隙。随着SiO2加入量的增加，纤维表面由光滑变得粗糙，并出现大量SiO2的团聚。测试结果表明，SiO2/C-0.3复合纤维材料具有最佳的电化学性能，首次放电和充电比容量分别为740.3mAh/g和503.7mAh/g，首次库伦效率为68.

7、4%。50次循环后，可逆容量仍然有468.9mAh/g。SiO2/C复合纤维材料中纳米SiO2与导电基体有着良好的电接触，而且复合纤维间存在大量空隙，为充放电过程中的体积变化提供了缓冲空间，从而提高了复合纤维材料的循环性能。（3）以氧化石墨（GO）、葡萄糖和SiO2纳米颗粒为原料，采用两步水热法以及后续热处理，制备了SiO2@C@石墨烯复合材料。对比研究了石墨烯的加入对材料电化学性能的影响。与纯纳米SiO2相比，SiO2@C@石墨烯复合物的首次放电和充电容