二维硅碳复合材料的制备及其储锂性能

作     者：晋展展 

作者单位：河南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘全润;刘承东

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）] 

主      题：锂离子电池 负极材料 冰模板 炭纳米片 硅碳复合材料 二维结构 

摘      要：锂离子电池作为具有广阔应用前景绿色储能器件,不仅深刻影响了便携式电子领域的发展,并将有力支撑新能源汽车的大规模应用。负极材料作为锂离子电池储存电能的重要部件,成为了提升锂离子电池性能的关键因素。而石墨的低比容量及缓慢扩散动力学,难以满足高性能储能器件的需求。硅基材料由于高比容量、成本低廉成为下一代负极材料的候选材料,但巨大体积变化和内在低电子/离子导电性阻碍其进一步发展。为了克服这些瓶颈问题,本论文利用冰模板法将水溶性碳前驱体(磺化萘、明胶)通过定向组装配合高温炭化制备高性能多孔炭纳米片,利用炭纳米片优异的导电性和高机械强度,通过两者有机结合构筑二维硅碳复合材料,有效改善了硅负极的结构稳定性和电化学性能。以磺化萘(SN)为碳源,利用冰模板法将可溶性碳源自组装制备出多孔炭纳米片(SN-CNS)。SN-CNS具有高比表面积(374 m g)和较高的孔容(0.621 cm g),以及中孔、大孔为主的层次孔结构和丰富的S、O官能团。在0.1 A/g的电流密度下以50.2%的首次库伦效率表现出856 m Ah/g的初始比容量,当电流密度增加至2 A/g时,SN-CNS并以56.3%容量保持率维持了366m Ah/g的可逆比容量。以1 A/g电流密度经过600圈循环后比容量逐渐增加至602 m Ah/g,作为锂离子电池负极材料时展现出优异可逆容量、倍率性能和循环稳定性。以SN为碳源,将Si NPs(硅纳米颗粒)与SN均相混合通过冰模板制备出Si@SCNS复合材料,研究SN与Si NPs的质量比例对复合材料结构和性能的影响。当Si NPs和SN的质量比为1:2时,成功制备出二维硅碳复合材料。将复合材料作为锂离子电池负极材料时,Si@SCNS-1具有高可逆比容量(2094 m Ah/g)和首次库伦效率(84.4%),而Si@SCNS-3在5 A/g下仍维持378 m Ah/g的高可逆比容量。在200 m Ah/g的电流密度下,经过300圈循环,Si@SCNS-3具有820 m Ah/g的高可逆比容量和95.3%的容量保持率。通过冰模板法制备的二维硅碳复合材料在倍率性能及循环性能方面具有突出表现。以绿色、可再生的明胶为碳前驱体,利用亲水性以及富含N/O等杂原子的特点。通过冰模板将明胶大分子多肽链定向组装,制备出氮掺杂炭纳米片并研究了不同炭化温度对其微观结构及电化学性能的影响。明胶衍生碳片(GCNS-800)具有高比表面积(389.3 m/g)和孔体积(0.512 cm/g),以及微孔介孔构成的层次孔结构和N/O官能团的配合,使得GCNS-800表现出最优的循环性能和倍率性能。在0.1 A/g下以53.4%的首次库伦效率获得高达842m Ah/g的可逆比容量。当处于5 A/g的超高电流密度下,仍能保持320 m Ah/g高比容量。在1 A/g下经过300圈循环后,可逆比容量逐渐增加至612 m Ah/g,展现出高倍率性能和卓越的长循环稳定性。以明胶为碳源,利用冰模板法配合高温炭化制备N掺杂二维硅碳复合材料。Si@GCNS复合材料为明胶衍生炭纳米片将硅球均匀包覆于炭片中的结构特点,炭纳米片高机械强度以及导电性使得复合材料具有优良的结构稳定性。用于锂离子电池负极材料展现出优异的电化学性能,在0.2 A/g下具有3035m Ah/g的高可逆容量和85.9%首次库伦效率,当处于5 A/g的高倍率下,仍具有1502 m Ah/g的高比容量。在1 A/g的电流密度下经过300圈循环后,可逆容量维持在1853 m Ah/g。展现出超高的可逆容量、倍率性能和大电流下的循环稳定性。图59幅,表17个,参考文献120篇