编号：CYYJ03086

篇名：锂离子电池多孔硅球负极材料改性研究

作者： 马梓芳

关键词： 锂离子电池; 负极材料; 化学刻蚀; 多孔硅; 硅碳复合材料;

机构： 燕山大学

摘要： 锂离子电池作为电化学储能载体,能够将可再生能源加入储能系统。目前,商用石墨电极的理论容量仅有372 mAh/g,难以突破电动汽车长时间续航的技术需求。硅基负极材料具有3 580 mAh/g的高比容量,被认为是最有潜力的高比能锂离子电池负极材料之一。然而,硅基负极材料在锂化/脱锂过程中产生巨大的体积膨胀,导致电极结构材料粉化,严重限制了硅基负极的商业化应用。纳米尺度的硅基材料能够改善其稳定性,但是复杂的工艺流程和高昂的设备成本,将不利于商业化应用。本文将微米级多孔硅结构与碳材料结合形成硅碳复合材料,该设计提高微米硅的循环稳定性,为突破高能量密度的锂离子电池的技术瓶颈提供了新思路。 通过精准控制反应时间,刻蚀硅含量为20%和30%的铝硅合金(AlSi20和AlSi30)形成多孔硅骨架为P-Si20和P-Si30。在电化学测试中,将海藻酸钠作为粘接剂,反应时间为39 h的P-Si30样品,在0.1 A·g-1下,循环100圈后的容量为729.7 mAh/g,容量保持率为34.1%。反应时间为40 h的P-Si20样品,在0.1 A·g-1的电流密度下,循环100圈后的容量为1 138.6 mAh/g,100圈后的量保持率为44.2%。 吡咯作为碳源,反应时间为39 h的P-Si30和反应时间为40 h的P-Si20作为多孔硅基体,用吡咯进行液相包覆形成多孔硅碳复合材料。其中P-Si30@C的首次放电比容量为2 546.4 mAh/g,循环100圈后的容量为983.9 mAh/g,100圈后的容量保持率为46.4%。其中P-Si20@C的首次放电比容量为2 128.5 mAh/g,循环100圈后的容量为985.4 mAh/g,循环100圈后的容量保持率为48.1%。包覆后形成的硅碳复合材料具有良好的循环稳定性。P-Si20@C与P-Si30@C相比较,P-Si20@C复合材料的循环稳定性略好。为了研究不同碳源包覆后循环性能的影响,用多巴胺作为碳源液相包覆P-Si20,成功制备了含氮的硅碳复合材料P-Si20@DA。多巴胺液相包覆12 h后,在0.1 A·g-1的电流下首次放电容量为2 430.4 mAh/g,100圈后容量为1 152.8 mAh/g,容量保持率为57.6%,并将此材料应用于固态电池中依旧保持良好的循环稳定性。