高性能硅碳负极材料的合成及电化学研究

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锂离子电池因其能量密度高、功率密度大和自放电低等优点,广泛应用于电动汽车、智能电网、便携式电子设备等领域。在此基础上,开发出新的具有更高能量密度,更低成本,更具发展潜力的锂离子电池负极材料成为当务之急。硅具有约4200 m Ah g-1的理论容量,约0.4 V的工作电位(vs.Li/Li+),被研究人员视为构建下一代锂离子电池的明星材料。然而在充放电过程中,硅的体积膨胀超过300%,导致硅的破裂、粉化,最终与集流体失去电接触,丧失活性。同时,SEI膜的不断形成导致可逆容量大大减小,严重制约了硅负极的商业化。若能通过简单的方法复合其它易得的材料以解决上述问题,将使得硅负极的发展突飞猛进。本文通过简单便捷的方法,通过金属盐(钼酸铵和硝酸铋)开发了多种具有特殊结构(核-双壳结构、按摩球型结构及石墨烯包覆核壳结构)的新型硅碳基负极材料。本论文具体研究内容如下:(1)以四水合钼酸铵为钼源,间苯二酚-甲醛树脂为碳源,通过溶剂蒸发法、溶胶-凝胶法,制备了核-双壳结构Si@Mo O2@C负极材料。该材料在1 A g-1大电流密度下循环100圈后保留了1172 m Ah g-1的可逆容量,与第二圈1301 m Ah g-1相比容量保持率高达90.1%,展现了高循环稳定性。Si@Mo O2@C的优势主要在于内层Mo O2的存在既避免了可能生成的副产物Si C的毒害作用,同时又增加了材料导电性;Mo O2不俗的容量与Si较匹配,仍可体现硅基负极材料大容量的优势;Mo O2内层和C外层的协同作用又使得负极材料结构稳定,容量有所提升。(2)以四水合钼酸铵、间苯二酚-甲醛树脂为原料,通过一步溶胶-凝胶法制备的钼-间苯二酚-甲醛树脂为碳源,高温退火得到具有按摩球结构的Si@C/Mo2C负极材料。生成的Mo2C纳米点随机分布在硅球表面,大部分被碳层包覆。当四水合钼酸铵用量为50 mg时,制得具有最优性能的SCM-50材料,其在1 A g-1大电流密度下循环100圈后放电容量为1705 m Ah g-1,高于对比样Si@C负极材料的1175 m Ah g-1。Mo2C的存在缩短了离子通道,提升了Li+的扩散速率,进而提升了整体负极的电化学性能。(3)以五水合硝酸铋为铋源,氧化石墨烯为导电添加剂和包覆材料,通过便捷的一锅法制得了还原氧化石墨烯包覆的硅@硅氧化物@β-氧化铋/铋(r GO-coated Si@Si Ox@β-Bi2O3/Bi)新型负极材料。铋中间体高温下生成β-Bi2O3层对Si进行包覆,同时与外层Si在高温下发生氧化还原反应生成一层薄薄的Si Ox层,提高了硅负极的寿命。加入氧化石墨烯作为载体,使得Si@Si Ox@β-Bi2O3/Bi负载于其上,同时在高温下与上一步生成的Bi~0发生氧化还原反应,降低了Bi~0含量,最终生成高性能材料。该材料显示了2746 m Ah g-1的初始放电容量和84.3%的初始库仑效率(ICE),在1 A g-1大电流密度下循环200圈后可逆容量约为1784m Ah g-1。其优异的电化学性能主要是因为Bi2O3层对Si核的体积膨胀有缓冲作用,同时与Bi发生协同作用,在循环过程中提升了Li+/e-传递速率;具有高导电率的r GO载体限制了体积膨胀,改善了Si与Bi2O3的电接触,降低了复合材料电阻,延长了电池的寿命。
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