锂离子电池正/负极材料Li2S/SiO2的合成与电化学性能研究

作     者：周罗挺 

作者单位：浙江工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄辉;梁初

授予年度：2017年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锂离子电池 沙子 SiO2 Li2S 正负极材料 

摘      要：锂离子电池作为一种新型绿色二次电池已在小型二次电池市场中占据了最大的份额。然而,由于正负极材料比容量较低,使得目前商业化锂离子电池能量密度普遍不超过200 Wh kg?1。本文选择具有高比容量的硅基负极材料SiO和LiS正极材料为研究对象,对材料的合成、微结构和电化学储锂性能展开了详细研究,阐明了电极材料的成分、微观结构与电化学储锂性能的相互关系,可望为进一步研究和开发高性能的锂离子电池电极材料提供了实验基础和理论依据。(1)采用简单的球磨工艺对库不齐沙漠中的沙子进行处理,并直接以球磨后的沙子作为锂离子电池负极材料。系统研究了沙子负极材料的成分组成以及球磨时间对其晶体结构、微观形貌、电化学性能和电化学储锂机理的影响。成分研究结果表明,沙子的主要成分为SiO,通过稀盐酸简单清洗后,SiO质量比达85%,其余为金属氧化物杂质。微结构研究表明,原始沙子中的SiO结晶性良好,随着球磨时间的增加,SiO的结晶性逐渐减弱,向非晶态转变。当球磨时间达到108 h,沙子中的SiO完全转变为非晶态。球磨后沙子的微观形貌表现为形状不规则,大小不一的颗粒,颗粒尺寸随球磨时间增加而减小。电化学研究结果表明,沙子中的SiO首次嵌锂反应生成不可逆产物Li4SiO4、Li2O和可逆产物LixSiy。随着球磨时间的增加,沙子负极材料的初始可逆容量逐渐增加,循环稳定性逐渐下降。球磨108 h的样品首次放电容量达906 mAh g?1,首次充电容量达413 mAh g?1,表现出最好的电化学储锂活性。200次循环后,与第2次放电容量相比,球磨60 h样品的容量保持率达97.9%,球磨108 h样品的容量保持率仅为59.6%。(2)以球磨108 h的沙子和聚苯乙烯(PS)为原料,制备沙子/碳复合材料,并系统研究了碳复合处理对复合材料电化学性能和微观形貌的影响。微结构研究结果表明,高温煅烧处理后,复合材料的结晶性仍然较差,表现为非晶态。PS的使用对复合材料的微观形貌没无明显的影响。电化学性能研究表明,含碳量为5.5%的沙子/碳复合材料表现出最优异的循环性能和倍率性能。在100 mA g?1电流密度下,该样品170次循环后的稳定容量为53 mAh g?1,可逆容量保持率达78.5%。(3)XRD、FTIR等测试表明,以不同摩尔比的LiH和升华硫为原料,采用简单的球磨工艺,可成功制备LiS和LiS2正极材料。电化学性能测试表明,合成LiS的循环性能相比商业LiS略有提升,100次循环后的容量为280 mAh g?1,LiS2在前50次循环较为稳定,50次循环后容量开始衰减,100次循环后的容量为305 mAh g?1。此外,LiS2的首次活化电压达3.69 V,低于LiS的3.87 V。