氧化硅及硅基锂离子电池负极材料的制备及电化学性能研究

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1、氧化硅及硅基锂离子电池负极材料的制备及电化学性能研究Preparationandelectrochemicalpropertiesofsiliconoxideandsiliconbasedanodematerialsforlithiumionbatteries学科专业：材料学作者姓名：胡志鹏指导教师：李晓雷教授天津大学材料科学与工程学院二零一七年十二月Ｉ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研宄工作和取得的研宄成果，论，除了文中特别加以标注和致谢之处外文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机

2、构的学位或证书而使用过的材料一。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年ｕ月日相系丨｜学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并釆用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：辦￥蛛导师签名：签字日期：（：＞年卜月丨日签字日

3、期＞丨年Ｒ月丨日＼１１／摘要硅材料是一种非常具有潜力的锂离子电池负极材料，其理论容量高达4200mAhg-1。但是硅作为锂离子电池负极材料还存在两个较大的问题，硅在充放电过程中巨大的体积变化和本身较差的导电性阻碍了其实际应用。设计特殊的缓冲结构或复合其它导电性好的材料，是解决上述问题的主要办法。本文以廉价的SiO2为原料，采用化学还原手段减少SiO2中的氧含量，提高材料的可逆容量，研究了不同还原手段对还原产物电化学性能的影响；同时通过复合手段将SiO2及Si与无定形碳和石墨烯复合，提高材料的循环稳定性，研究了不同复合结构对材料电化学性能的影响。采用溶胶-凝胶法

4、和碳热还原法制备了二氧化硅/碳（SiO2/C）复合气凝胶材料。研究表明多孔结构和含氧量的减少都有利于提高材料的电化学性能。该材料在0.1Ag-1的电流下循环100圈的可逆容量为480mAhg-1，并且在1.0Ag-1下的循环比容量为200mAhg-1。但是碳热还原的还原效果较低，材料中氧的含量偏高，材料初始库伦效率只有30%左右，比容量较低。采用水热自组装和镁热还原法制备了硅/石墨烯（Si/G）复合材料。Si/G材料的介孔结构和石墨烯和缓冲Si的体积变化，循环稳定性得到一定程度的提高；相比碳热还原，镁热还原可将SiO2还原为Si，材料的初始库伦效率大为提高。该材料

5、在0.1Ag-1的电流密度下循环100圈的可逆容量为580mAhg-1，在1Ag-1下的循环容量为450mAhg-1，初始库伦效率提高到75%。采用喷雾造粒、镁热还原和CVD包碳得到3D多孔石墨烯/硅/碳（G/Si/C）材料。该材料在0.1Ag-1的电流下循环100圈的可逆容量达1400mAhg-1以上，容量保持率为91.7%，在10Ag-1的大电流下的容量保持在567.5mAhg-1。G/Si/C材料优异的性能要归功于其特殊的结构设计。微球内部的石墨烯骨架为电子提供了高速传输通道，同时也缓冲Si在充放电过程中的体积变化；后续碳层的包覆既增强了纳米Si颗粒与石墨烯

6、基体的结合强度，提高了材料整体的结构稳定性，也进一步提高了材料整体导电性。关键词：锂离子电池负极材，二氧化硅，硅，石墨烯，镁热还原，电化学性能IABSTRACTSibasedmaterialsarethemostpromisingmaterialbecauseofitshightheoreticalcapacityof4200mAh.g-1.However,thepracticaluseofsiliconinLIBshasbeenmainlyhinderedbyitshugevolumeexpansion(>300%)andlowconductivity.Desi

7、gningporousmicrostructureorcompoundingSiparticleswithotherhighconductivematerialsisaneffectivestrategytoovercometheseproblems.SiO2/CcompositesweresynthesizedviacarbonizationofSiO2/RFaerogelprecursor.Theeffectsofdryingmethodandcarbonizationtemperatureonelectrochemicalpropertieswereinve

8、stiga