鋰離子電池用納米碳纖維—硅復合負極材料.pdf

1、鋰離子電池(LIB)的無記憶效應、能量密度高以及自放電率低等優(yōu)點使其在工業(yè)領域迅猛發(fā)展。隨著其在便攜式設備和動力汽車中的應用，人們對于鋰離子電池的負極材料提出了更高的要求。目前石墨作為商用鋰離子電池的負極材料，在充放電過程中鋰的嵌入量較低，理論容量只有372mAh/g。同時由于過充或其他原因引起的鋰枝晶影響電池的安全性。
　　Sn、Si、Al、Pb等金屬與鋰形成金屬間化合物，表現(xiàn)出較好的電化學性能。這些高容量的負極材料還沒有商業(yè)化

2、的原因是其在嵌鋰時發(fā)生較大的體積膨脹，超過100％。這會造成材料結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重的破壞甚至粉化，使材料失去電接觸，導致容量的迅速衰減。因此消除因金屬材料在充放電過程中的體積變化而造成的電池失效成為負極材料研究重點。
　　目前的研究表明，三維網(wǎng)絡電極結(jié)構(gòu)能有效緩沖硅在嵌鋰時產(chǎn)生的體積變化，同時這種結(jié)構(gòu)為鋰離子提供了傳輸通道，提高電極的倍率充放電性。熱解細菌纖維素（Pyrolyzed Bacterial cellulose，PBC）保留了

3、細菌纖維素(BC)的三維多孔結(jié)構(gòu)，將上述金屬材料擔載到PBC的三維網(wǎng)絡中，形成金屬/納米碳纖維復合三維電極是提高LIB負極材料電化學綜合性能的有效途徑。因此，將PBC與硅材料復合制備新型鋰離子電池負極材料，對于將硅負極材料商用化具有重要意義。
　　本論文以BC為前驅(qū)體，通過高溫燒結(jié)制備了具有三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的納米碳纖維(PBC)。在此基礎上通過打漿法和溶膠凝膠法分別制備了PBC/碳納米管(CNTs)、PBC/Si和PBC/SiO2復合

4、負極材料，利用FESEM、TG、XRD以及循環(huán)測試等方法詳細研究了其結(jié)構(gòu)和性能的關系。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.PBC及PBC/CNTs的結(jié)構(gòu)與性能。
　　PBC具有三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，存在石墨化碳。電性能測試顯示PBC的電池容量略低于石墨，但加入羧基化碳納米管可以提高PBC的導電性以及電池的容量。PBC/CNTs復合材料的首次充電容量達到1280.6mAh/g，庫倫效率為45.7％。循環(huán)20次后可逆容量達到433mA

5、h/g，不僅優(yōu)于PBC，同時超過了石墨的理論容量。
　　2.打漿法制備的PBC/Si復合材料的結(jié)構(gòu)與性能。
　　PBC/Si的電化學性能較好，首次充電容量達到3375mAh/g，經(jīng)過65次循環(huán)后后可逆容量為1369mAh/g。只要適當?shù)目刂乒璧暮考捌浞稚?，PBC的特殊三維結(jié)構(gòu)可以作為充放電過程中硅體積膨脹的緩沖區(qū)。
　　3.溶膠凝膠法制備PBC/SiO2復合材料的結(jié)構(gòu)與性能。
　　PBC/SiO2復合材料的導電