锂离子电池硅碳负极材料制备及研究

目录

摘要 (1)

Abstract................................................................................. 错误!未定义书签。第一章绪论. (1)

1.1 引言 (1)

1.2 锂离子电池介绍 (2)

1.2.1 锂离子电池的发展 (2)

1.2.2 锂离子电池工作原理及特点 (3)

1.3 锂离子电池各组成部分的研究现状 (3)

1.3.1 正极材料 (3)

1.3.2 电解液和隔膜材料 (4)

1.3.3 负极材料 (4)

1.4 本文的选题背景及主要研究内容 (4)

第二章实验原理 (5)

2.1 课题设计思路及主要研究内容 (5)

2.2 材料结构表征原理 (6)

2.2.1 X射线衍射分析( XRD) (6)

2.2.2 扫描电子显微镜分析(SEM) (6)

2.2.3 透射电子显微镜分析(TEM) (6)

2.2.4 拉曼衍射分析 (6)

2.3 材料电化学性能测试原理 (6)

2.3.1 室温恒电流充放电测试 (6)

2.3.2 电化学阻抗谱（EIS） (7)

2.3.3 循环伏安测试（CV） (7)

第三章硅碳材料的制备及其性能的研究 (7)

3.1 实验药品及仪器 (7)

3.2 实验部分 (8)

3.2.1 锂离子电池负极材料的制备 (8)

3.2.2 电极制备 (8)

3.2.3 电池装配 (9)

3.3 实验数据分析 (10)

3.3.1 硅碳混合材料的表征 (10)

3.3.2 硅碳混合材料电化学性能研究 (14)

第四章总结与展望 (18)

4.1 结论 (18)

4.2 展望 (19)

锂离子电池硅碳负极材料制备及研究

摘要

的方法制备纯净的硅粉及硅碳混合材料作在氩气保护下，采用氢气还原SiO

2

为锂离子电池负极材料，在氢气还原之后通一定时间的甲烷气体，期望在硅颗粒的表面包覆上一层碳来缓解硅在脫嵌锂过程的体积效应，防止硅的进一步氧化；通过对制备的活性材料进行表证（X射线衍射，扫描电镜分析，透射电镜分析，拉曼光谱分析）及电化学测试（室温恒电流充放电、CV、EIS）来分析研究其物理及电化学性能。结果表明由未处理的硅碳混合材料作为负极材料的电池循环性能较差，首次充放电效率低；由高温还原后的硅碳混合材料作为负极材料制得的电池的循环性较好，但比容量较低。

关键词：硅粉还原，硅粉，碳粉，锂离子电池，负极材料

第一章绪论

1.1 引言

当今世界，能源与人类社会的生存和发展息息相关，人们对能源的需求量也越来越大，但目前人们使用最多的能源仍是传统的不可再生的能源。毫无疑问，传统能源在推动全球经济快速发展的同时，也正被加速消耗殆尽；此外，传统能源燃烧时排放出的有害物质不仅直接危害人们的健康，还对世界气候有着巨大的破坏。因此，开发新能源已成为全球人们共同关注的话题。

随着全球不可再生能源的日益紧缺，开发新能源迫在眉睫，这种新能源不再仅仅是高效的，而应在满足高效的同时，清洁无污染，经济安全的可再生能源。太阳能、风能等可再生清洁能源符合未来能源的发展需求，但这些清洁能源的产生是不连续的，因此我们需要发展大规模的储能系统来解决这一问题，锂离子电池作为一种清洁储能能源现倍受人们的关注。[1,2,3]从小型便携的电子器件所需的微电池到大的混合动力电动汽车，锂离子电池因其高能量密度、循环寿命长等优

点正得到越来越广泛的应用，已成为21世纪极具发展潜力的新型化学电源。[4]锂离子电池的负极材料对锂离子电池的应用起着决定性作用。传统的锂离子电池的负极材料为碳素材料，而LiC6的理论比容量只有372 mAh /g，无法满足人们对高能量密度材料的需求，故碳并不是最理想的负极材料。[5]

研究表明硅材料相对于其它电极材料具有很高的比容量，如硅和锂的合金化合物Li22Si5的理论比容量为4200mAh /g，但其循环性能差，限制了大规模的应用。这源于在循环脫嵌锂的过程中硅产生的体积膨胀（约300%），造成大的机械应力，破换了基质材料的空间稳定性，从而引起结构垮塌、粉化，最终导致可逆容量的损失；大的体积效应会导致硅与电流收集器间的接触不良致使硅表面暴露在电解液中形成固态电解质膜（SEI膜），导致电池首次充放电效率降低；此外，硅材料自身的锂离子导通性和导电性较弱，这也影响了它在大电流充放电下的循环性能。[4,5]为了改善这些缺点，人们尝试通过制备纳米尺寸的硅颗粒、制备硅的纳米线、对硅材料进行包覆处理、使用羧甲基纤维素钠作为相结剂等方法来提高负极材料的导电性，缓解充电时的体积膨胀，改善材料的电化学性能。[5,6]如今，随着纳米技术的发展，越来越多的学者开始研究含Si的纳米复合材料作为锂离子电池的负极材料。

与大尺寸的颗粒相比，纳米级别的Si具有较大的比表面积，较小的锂离子脱嵌深度、较短的离子扩散路径及较小的电极极化程度等优点，使其结构更稳定，有很好的电化学性能。[7]但纳米级别的硅在空气中极易被氧化，脱嵌锂过程中硅易产生体积效应，如通过一定的方法再在纳米硅上包覆碳层，结合碳优异的力学性能和导电性，既可以增强活性材料的导电性，又可以调节和缓冲硅的体积膨胀，从而获得更高的电池容量以及循环稳定性能，这也是本实验研究的重点。

1.2 锂离子电池介绍

1.2.1 锂离子电池的发展

最早的锂二次电池主要是以金属锂及其合金作为负极的电池体系，但金属锂作为负极时，在充放电过程中易形成锂枝晶及钝化膜，造成电池可逆容量的损失和内部短路，影响锂二次电池的充放电效率和循环寿命。[8,9,10]故锂二次电池一直无法商业化，直到可嵌入锂离子的负极材料出现才使其不断地被广泛应用。

20世纪80年代初，Armond M.B. 首先提出用嵌锂化合物代替锂二次电池中的金属锂负极材料。[11]1987年，Auborm J.J. 成功装配出MoO2(WO2)/LiPF6-PC/LiCoO2型的电池，证明了Armond M.B.构想的可行性。[12]20