锂离子电池负极用n型高导电率硅材料的制备及其性能研究

《锂离子电池负极用n型高导电率硅材料的制备及其性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、分类号：密级：ＵＤＣ：学号：４０５７２９１１５０３０南昌大学硕士研究生学位论文锂离子电池负极用ｎ型高导电率硅材料的制备及其性能研究ｔｆｏｒｍａｎｃｅｆ－ＰｒｅｐａｒａｉｏｎａｎｄＰｅｒｏｎｔｅＳｉｌｉｃｏｎｗｉｔｈＨｉｇｈｙｐＣｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙＡｎｏｄｅｏｆＬｉｔｈｉｕｍｉｏｎＢａｔｔｅｒｙ金晨鑫培养单位（院、系）：材料科学与工程学院指导教师姓名、职称：周浪教授岳之浩讲师申请学位的学科门类：工学学科专业名称：材料科学与工程论文答

2、辩日期：２０１８年５月３１日答辩委员会主席：评阅人：２０１８年月日摘要摘要锂离子电池硅负极材料因其理论嵌锂比容量高于传统商业化应用的石墨负极一个数量级以上，而受到广泛关注。但是，硅负极材料巨大的嵌锂膨胀效应和较差的导电性问题一直是限制其产业化应用的关键所在。现有研究大多采用碳包覆和金属修饰等技术对硅材料进行处理以试图解决上述问题，但对于硅负极材料本身理化性质对其在锂离子电池中电化学性能的影响研究尚缺乏。本文将不同电阻率的电子级硅和不同纯度的硅铁、工业级硅、太阳能级硅和电子级硅进行球磨制成硅粉，并分

3、别将其与石墨进行混合作为锂离子电池硅碳负极材料并制成扣式电池，通过对其循环性能和倍率性能测试分析来研究硅材料纯度、电阻率和导电类型对锂离子电池电化学性能的影响规律。并选取纯度为太阳能级的p型1Ω·cm的碎硅片，利用乙醇蒸发高温扩散法制备得到高导电率的n型硅材料。研究主要取得了如下结果：（1）硅材料体电阻率的越低，其储锂容量越高，倍率性能越好。0.001Ω·cm样品在经过倍率为0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C和0.1C（取1C=360mAg-1）各5圈充放电测试后，充电比容量最高为407.4mAhg-1，容

4、量保持率为89%。（2）在电阻率相同时，n型掺杂硅始终比p型掺杂硅的电化学性能更佳。当p型掺杂硅的电阻率远低于n型掺杂硅时，前者的电化学性能更佳。（3）硅材料纯度越高，其储锂容量越高，循环和倍率性能越好。电子级硅在30圈时，放电比容量最高，为347.7mAhg-1，在经过同上所述的不同倍率的各5圈充放电测试后，充电比容量为355.4mAhg-1，容量保持率为80%。（4）采用所提出的乙醇蒸发高温扩散法，在1000℃时进行高温扩散4h可使粉末电阻率降低了三个数量级，并将p型硅转换为n型硅。循环性能有较大的提升，在5

5、6mAg-1的电流密度下，循环30周时高导电率硅的充电比容量为360mAhg-1，之后容量保持在这个水平。而在30周时原料硅的充电比容量为335mAhg-1，之后容量一直衰减。本研究揭示了硅粉导电性质与导电率以及硅粉纯度级别对其负极电化学性能的影响，并成功开发了一种p型硅粉改变掺杂类型且提高其导电率的方法。对锂离子电池硅负极材料技术的发展有切实指导意义。关键词：锂离子电池；硅负极；高导电率；纯度；电阻率；掺杂类型IABSTRACTABSTRACTBecauseofsiliconanodematerials’the

6、oreticalspecificcapacityishigherthanthetraditionalgraphiteanodemorethananorderofmagnitudeinlithium-ionbatteries,itattractsmuchattention.However,extremevolumechangeandpoorconductivityofsiliconlimititscommercialapplicationallthetime.Amongtheexistingstudies,thet

7、echnologyofcarboncoating,metalmodificationetc.aremostlyadoptedonsiliconmaterialstoattempttosolvetheaboveproblems,buttherearenoneresearchonthechemicalandphysicalpropertiesofsilicon’seffectonlithium-ionbatteries.Siliconwaferswithdifferentbulkelectricalresistivi

8、tiesandferrosilicon,industrialgradesilicon,solargradesiliconandelectronicgradesiliconwereball-milledtoformdifferenttypesofsiliconpowders,whichweremixedwithgraphitepowdersrespectivelyforbe