高容量鋰離子電池負(fù)極材料的制備及性能研究.pdf

1、鋰離子電池具有能量密度高和自放電速率低等特點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用在手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等可攜帶的電子產(chǎn)品上。然而，它的能量密度仍不能滿足新興的電動(dòng)交通工具的需求。作為鋰電池的一個(gè)關(guān)鍵部分，電極材料決定著電化學(xué)性能。硅和錫具有理論儲(chǔ)鋰容量高、嵌鋰平臺(tái)低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是取代商品化石墨負(fù)極的潛力物質(zhì)。然而，硅和錫在鋰化過程中產(chǎn)生巨大的體積膨脹，導(dǎo)致材料的粉化，使得容量快速衰減。此外，硅和錫的本征電導(dǎo)率和鋰離子擴(kuò)散速率低，這些缺點(diǎn)限

2、制了它們的實(shí)際應(yīng)用。本文通過合成納米結(jié)構(gòu)的硅、錫基復(fù)合材料來提高儲(chǔ)鋰性能，詳細(xì)內(nèi)容如下：
　　（1）納米銀和石墨烯雙重修飾多孔硅。通過鎂熱還原商品化 MCM-41得到多孔硅，氫氟酸刻蝕后的硅表面疏水性，因此，很難通過傳統(tǒng)的銀鏡反應(yīng)將其表面包覆納米銀。我們通過硝酸銀浸漬/熱分解方法在硅表面修飾上了納米銀。最后，通過氧化石墨烯熱還原得到納米銀-多孔硅/石墨烯復(fù)合材料。該復(fù)合材料顯示了高的比容量，好的循環(huán)穩(wěn)定性以及優(yōu)越的倍率性能。優(yōu)異的

3、電化學(xué)屬性歸因于以下方面：硅的多孔結(jié)構(gòu)不僅能緩沖鋰化過程中產(chǎn)生的體積膨脹，而且有利于鋰離子和電解液的傳輸。納米銀和石墨烯雙重修飾不僅能增加硅表面的電導(dǎo)率，而且可以減少硅的表面與電解液直接接觸。
　　（2）聚吡咯包覆多孔硅納米空心球。將St?ber法合成的二氧化硅球分散在水中“孵化”得到介孔二氧化硅納米空心球，然后在氫氬混合氣氛650℃下，鎂還原二氧化硅得到多孔硅納米空心球，最后在冰/水浴中，吡咯在硅表面原位聚合，得到聚吡咯@多孔硅

4、空心球復(fù)合材料。電化學(xué)研究表明：在電流密度1.0 A g-1的條件下，循環(huán)250圈后的比容量和第二圈的相比，保持率有88％，顯示該材料有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。在電流密度1.0、2.0、4.0和8.0A g-1的條件下依次循環(huán)20圈，分別得到放電比容量為2594、1610、1125和661 mA h g-1，當(dāng)電流密度再逐步回升到1.0 A g-1時(shí)，放電比容量恢復(fù)到近起始水平。該材料優(yōu)越的儲(chǔ)鋰性能得益于其多孔空心結(jié)構(gòu)和聚吡咯包覆?？招慕Y(jié)構(gòu)和

5、殼上的多孔通道不僅有利于鋰離子和電解液的擴(kuò)散，而且能夠緩沖體積膨脹和降低擴(kuò)散引起的應(yīng)力。聚吡咯包覆能夠提高硅表面的電導(dǎo)率以及穩(wěn)定電極材料的整個(gè)結(jié)構(gòu)。
　　(3)錫/一氧化錫嵌入褶皺的氮摻雜石墨烯。將納米錫和氮摻雜石墨烯混合，在氬氣氛圍中加熱到250℃，熔融的錫將通過毛細(xì)管作用力慢慢滲入氮摻雜石墨烯的孔中，并與氮摻雜的石墨烯表面的官能團(tuán)反應(yīng)，得到錫/一氧化錫/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料。褶皺的氮摻雜石墨烯中剩余的孔容不僅能夠?yàn)檠h(huán)過程中錫

6、產(chǎn)生的巨大體積膨脹提供空間，而且有利于鋰離子和電解液傳輸。氮摻雜石墨烯的引入還能提高電極材料的導(dǎo)電性。生成的一氧化錫使得氮摻雜石墨烯和錫基顆粒接觸緊密，在脫嵌鋰過程中避免顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚以及保持復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。電化學(xué)研究表明：在電流密度1.0 A g-1的條件下，循環(huán)250圈后的放電比容量高達(dá)853 mAh g-1，和第一圈的相比，保持率有79%，顯示該材料有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。在電流密度0.5、1.0、2.0、4.0、8.0和16.0A