脈沖激光沉積制備的硅基納米電極材料的研究.pdf

1、隨著納米技術和鋰離子電池研究的飛速發(fā)展,利用納米技術制備的鋰離子電池的電極材料正以其優(yōu)異的性能向傳統(tǒng)的電極材料提出挑戰(zhàn).Si是一種具有廣泛應用前景的鋰離子電池陽極材料,通過控制制備的條件或者加入一定的基質物質獲得納米結構的硅基薄膜,可以很好地改善Si材料的電化學性能,克服其在充放電過程中因巨大體積變化造成的循環(huán)穩(wěn)定性很差的缺點.該文采用脈沖激光沉積(PLD)制備了硅基納米電極薄膜,包括Si及Si/TiN復合薄膜,并對薄膜的微結構和電化學

2、性能以及它們與鋰反應的機理作了一系列的研究.主要取得了以下研究成果:(1)采用PLD法成功制備了納米純Si薄膜電極材料.沉積時的基片溫度和激光輻照的能量密度對所制備薄膜的結構有重要影響,在2J/cm<'2>的激光能量密度和基片處于室溫的條件下,可以制備得非晶態(tài)的Si薄膜,其前40次平均放電容量為852mAh/g,在容量和循環(huán)性能上均遠優(yōu)于晶態(tài)Si薄膜電極.研究發(fā)現(xiàn)在鋰化后的非晶態(tài)Si薄膜中出現(xiàn)了10nm左右的Si-Li微晶態(tài)顆粒,通過對

3、其機理進行的探討,認為Si薄膜呈非晶態(tài)的有利于Si-Li納米微晶的形成,進一步完善了前人對于Si-Li的電化學合金化反應的認識.(2)采用PLD法成功地制備了具有納米結構的Si/TiN復合薄膜,發(fā)現(xiàn)在含80mol﹪Si的Si/TiN復合電極具有最好的循環(huán)性能,其在100次循環(huán)內的平均比容量為807mAh/g,平均每一循環(huán)衰減0.38﹪;Si/TiN薄膜材料可以承受0.2mA/cm<'2>的電流密度而對其循環(huán)容量和循環(huán)壽命沒有影響,即對電

4、流密度不敏感,該文還通過XRD、SEM、XPS、TEM和SAED等表征手段考察了鋰化前后復合薄膜的微結構變化,進一步對TiN提高Si基薄膜電極材料的電化學性能機理進行了探討,發(fā)現(xiàn)TiN在微米尺度上抑制了由充放電循環(huán)引起的薄膜的龜裂、顆粒化等形貌的變化,并且在更小的納米尺度上抑制了Si-Li納米微晶的產(chǎn)生.此外,復合薄膜中的Si與Li合金化的反應電位隨著TiN含量的增高而上升,這可能是Si在高含量TiN的復合薄膜中的粒徑變小影響它與鋰的在