硅、二氧化锡和碳复合材料的制备及储锂性能

作     者：姬潘潘 

作者单位：信阳师范学院 

学位级别：硕士

导师姓名：姜勇

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：锂离子电池 二氧化锡 硅 负极材料 碳 

摘      要：随着人类社会的发展,对能源的需求日益增加。传统化石能源面临枯竭问题,并伴随严重的环境污染。开发风能等可再生清洁能源就显得很有必要,而锂离子电池(LIBs)作为能量储存装置,具有自身的优势,在能源利用方面发挥着重要作用。近年来,对于高比能量锂离子电池的需求日益迫切,而开发新型电极材料成为关键点之一。硅基和二氧化锡基负极材料具有理论比容量高、天然资源丰富、安全性好等优点,被认为是石墨负极的极佳替代品。但是,硅基和二氧化锡基负极材料在储锂过程中存在显著的体积变化,造成电池性能的快速衰减。同时,硅、二氧化锡负极材料也存在导电性差的问题。针对上述问题,本论文将纳米硅、二氧化锡和氮掺杂碳等碳材料复合。碳材料可以缓冲其体积变化带来的不利影响,并结合碳材料较好的导电性,优化硅、二氧化锡的电池性能。研究工作的具体内容如下:1、借助乳化剂溶液体系,结合高温碳化等过程,将纳米硅和氮掺杂碳复合,制备了Si/NC微米尺寸复合材料。复合材料结构中,氮掺杂碳充当导电载体,并能有效地缓解硅充放电过程中的体积变化效应,优化硅负极的电化学性能。以Si/NC微米尺寸复合材料充当负极,分别在40 m A/g、100 m A/g的电流密度下,经过50圈循环,Si/NC复合材料的放电比容量分别为890.5 m Ah/g和626.7 m Ah/g。2、借助乳化剂的辅助,将纳米二氧化锡和氮掺杂碳、多壁碳纳米管复合在一起。氮掺杂碳和多壁碳纳米管可以增强纳米Sn O的导电能力,缓解Sn O在充放电过程中体积变化带来的机械应力,有效地提升Sn O的电池性能。以Sn O/NC/MCNTs复合材料作为负极时,在250 m A/g电流密度下,经过200次循环后,其放电比容量仍具有798 m Ah/g;在1000 m A/g的较大电流密度下,循环500圈后,比容量仍可以保持545 m Ah/g。3、利用一步水热反应,将较小SnO纳米颗粒(平均粒径约4 nm)生长在还原氧化石墨烯(r GO)表面,再在r GO/Sn O复合材料上生成聚吡咯,得到r GO/Sn O/PPy复合材料。PPy的存在,有效地缓解了r GO的堆积问题。r GO/Sn O/PPy复合材料呈较薄的片状分布,有利于电解液的浸润,锂离子的快速转移。聚吡咯和r GO充当导电载体的同时,能有效地缓解Sn O的体积变化带来的影响。r GO/Sn O/PPy复合材料在0.5 A/g的电流密度下,循环充放100次后,放电比容量仍高达1516 m Ah/g;在2 A/g的大电流密度下,仍可维持658 m Ah/g的放电比容量。