回收光伏产业切割硅废料制备锂离子电池负极材料

作     者：李振强 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吉恒松

授予年度：2021年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：废料硅 负极材料 碳包覆 核壳结构 非晶态硅 

摘      要：动力电池在近几年发展迅速,以硅为主体的负极材料凭借高容量的特点而备受关注,目前商业化所用到的硅面临成本高、难制备等一系列问题。而每年我国在光伏行业产生的废料硅质量可达10万吨以上,若能将此类资源作为制备锂离子电池硅基负极材料的硅源,不仅使商业化原料硅的生产成本大幅度降低,而且解决了这类硅资源过量囤积、附加值低等问题。但此类硅资源在作为锂离子电池负极材料时同样面临嵌锂过程中发生体积膨胀的问题。为解决此问题,本文主要通过不同形式的碳包覆、改变硅的晶型来达到该目标。同时利用不同的材料表征手段和电极电化学性能测试来分析不同结构、晶型对复合材料性能的影响。本文的具体的研究内容如下:(1)以硅片切割废料制备Si/SiO/C复合材料以切割硅废料为原料,首先通过氩气气氛焙烧、酸洗等手段进行纯化。然后利用高能球磨法将微米级的硅颗粒纳米化。最后以葡萄糖为碳源,通过水热高温裂解法在硅颗粒表面形成非晶态碳层,由于反应过程中氧化反应,最后得到的复合材料为Si/SiO/C。本章同时将纯化后的硅废料(WS)、球磨后的硅废料(M-WS)以及Si/SiOx/C进行电化学性能对比分析发现,引入非晶态碳层和SiOx层的Si/SiOx/C复合材料拥有最佳的电化学性能,其中首次库伦效率高达67.9%。在电流密度为0.1A/g时,循环100圈后,放电比容量为850m Ah/g。(2)以硅片切割废料制备核壳结构硅/碳复合材料以纳米级硅废料为原料,本章以蔗糖为碳源,通过在水热过程中加入催化剂硝酸镍,诱导蔗糖分子生长出以硅颗粒为核心、非晶态碳为壳的核壳式结构。同时研究硅、硝酸镍、蔗糖在不同质量比例下所得到的复合材料电化学性能的差异性。通过对比三种材料的电化学性能可知,硅、硝酸镍、蔗糖在质量比例为2:1:6时,复合材料表现出最佳的性能。在电流密度为0.1A/g的条件下,首次库伦效率为83.6%,循环450圈后,放电比容量保持在750m Ah/g。结果表明,通过将纳米硅与碳组合成核壳式结构可以有效提升硅基负极的循环性能以及稳定性。(3)以硅片切割废料制备Si-TiC-C复合材料以纯化后的硅废料为原料,微米级金属化合物碳化钛为球磨介质,石墨作为碳源,采用分步高能球磨法制备了硅、碳化钛、石墨复合材料。本文研究了在不同质量比例下的Si-TiC-C复合材料的电化学性能,同时以相同球磨条件的硅碳材料作为参照组。研究发现,在引入金属化合物碳化钛之后,晶态的硅颗粒被成功的转化为非晶态。在所研究的各样品中,当硅、碳化钛、石墨的质量比例为2:4:4时,复合材料表现出最佳的电化学性能。在电流密度为0.1A/g的条件下,首次库伦效率能够达到62%,循环50圈后放电比容量保持在650m Ah/g,容量保持率为40%,展现出了相对较好的循环稳定性和优异的倍率性能。