用于锂电池负极的多孔硅材料的制备与优化
  • 【摘要】

    目前商业化使用的锂离子电池负极材料主要是石墨,但是石墨的理论比容量只有372mAh/g,无法满足锂离子电池对负极材料高容量的要求。硅具有非常高的理论比容量和较低的嵌/脱锂电位,被认为是最有潜力实现高能量密度锂离子电池的新型负极材料之一。但硅电极材料在嵌脱锂过程中,存在着巨大的体积膨胀,使得电极粉末化,导致容量迅速衰减,成为其商业化发展的最大障碍。
      本文采用不同方法分别制备了高孔隙率的多孔... 展开>>
    目前商业化使用的锂离子电池负极材料主要是石墨,但是石墨的理论比容量只有372mAh/g,无法满足锂离子电池对负极材料高容量的要求。硅具有非常高的理论比容量和较低的嵌/脱锂电位,被认为是最有潜力实现高能量密度锂离子电池的新型负极材料之一。但硅电极材料在嵌脱锂过程中,存在着巨大的体积膨胀,使得电极粉末化,导致容量迅速衰减,成为其商业化发展的最大障碍。
      本文采用不同方法分别制备了高孔隙率的多孔硅负极材料、铜修饰的多孔硅负极材料以及多孔硅自支撑薄膜负极材料,并研究了其结构形貌和电化学性能。主要工作和成果有:
      (1)采用电化学腐蚀、化学腐蚀的两步腐蚀法制备多孔硅负极材料,通过对电解液配比、单晶硅衬底电阻率、电化学腐蚀电流、电化学腐蚀时间以及二次化学腐蚀时间等条件的优化,得到了孔隙率为84%,孔径为1.1μm的多孔硅材料。以该材料为负极的锂电池首次放电比容量达到2392mAh/g,充电比容量达到1399mAh/g,经过20次循环后,充放电比容量仍为188mAh/g、198mAh/g。
      (2)采用脉冲电沉积的方法使铜进入二次腐蚀制备的高孔隙率的多孔硅孔洞内。该电极材料首次充、放电比容量为2413mAh/g、4282mAh/g,比起未沉积铜的多孔硅电极材料,首次充放电比容量分别增加了414mAh/g、1900mAh/g。经过20次循环,该电极放电比容量仍保持在325mAh/g、360mAh/g,循环性能有所改善。
      (3)在电化学腐蚀硅的过程中,采用逐步增加腐蚀电流的方法制备了多孔硅自支撑薄膜电极材料。多孔硅薄膜的孔径约为1~1.2μm,孔隙率约为77%,薄膜厚度约为90μm,孔洞排列整齐有序。该电极材料在前33个充放电循环中比容量小于10mAh/g,到第34个循环时,充放电比容量突然增加到2517mAh/g、3151mAh/g。扫描电镜测试结果表明,经过41个充放电循环后,薄膜电极粉末化,且粉末化的电极在充放电过程中发生团聚现象。本文最后还探索了碳-多孔硅自支撑薄膜复合材料的制备。
      本文成功制备了高孔隙率的多孔硅电极材料,并通过脉冲电沉积的方法增加了其电导率,该电极首次比容量及循环性能均优于硅电极。但本文制备的自支撑薄膜电极材料的电化学性能不理想且无法与聚丙烯腈形成复合电极材料,未来可以通过脉冲沉积铜、降低薄膜厚度等方法改善其性能。 收起<<

  • 【作者】

    刘晶晶 

  • 【学科专业】

    凝聚态物理

  • 【授予学位】

    硕士

  • 【授予单位】

    厦门大学

  • 【导师姓名】

    陈松岩

  • 【学位年度】

    2013

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    锂离子电池  高孔隙率  多孔硅电极材料  自支撑薄膜  电化学性能