Si/C多层膜锂离子电池负极材料的研究

【摘要】太阳能、风能等清洁能源在全球范围广泛使用,是下一代能源利用的主要形式,但它们的缺点是供能间歇式的问题：野外设施(比如通讯基站)的储能也是一个亟待解决的问题。因此,寻找高比容量的储能设备显得尤为重要。另一方面,随着人们环保意识的加强以及化石类不可再生资源的不断消耗,电动汽车替代传统汽车成为了发展的必然趋势,从而也提高了对高能量密度,高功率密度锂离子动力电池的需求。锂离子电池具有高电压、高比能量、循环寿命好、安全性能高、自放电率小、无记忆效应的优点,在众多储能器件中脱颖而出。而提高锂离子电池能量密度的关键是正负极材料,但是正极材料的比容量很难提高,因此要提高锂离子电池的储能密度需要在负极材料上下功夫。硅负极材料理论比容量为4200mAhg-1(Li4.4Si),自然界储量丰富,清洁环保,储锂电位低(小于0.5VLi/Li+),被誉为最具潜力的新一代高性能锂离子电池负极材料,在高功率、高能量密度锂离子电池应用领域具有十分独特的应用前景。但是硅在脱嵌锂过程中较大的体积效应(400%)以及较低的电导率极大的限制了其实际应用,而解决途径主要是纳米化+缓冲介质。本论文研究工作主要是采用PVD法沉积具有多层膜结构的Si/C复合薄膜。其中纳米硅层缓解了硅在充放电过程中的绝对体积膨胀；碳缓冲层也有效的缓冲了硅的体积膨胀,从而显著改善硅碳多层膜的循环性能。本文着重研究了多层膜结构中的碳硅厚度比以及薄膜厚度对于多层膜电化学性能的影响。随着碳硅厚度比逐渐增加,多层膜循环性能稳定,比容量性能逐渐提高,当多层膜中碳硅周期厚度比达到dsi:dC=25nm:5nm时,多层膜表现出了最佳的循环性能,200次循环后比容量达到2000mAhg-1,占初始比容量的87%,可逆比容量保留性能非常好,库伦效率保持在99%左右。但碳硅厚度比继续增加,会使得多层膜的缓冲效果逐渐降低,薄膜循环性能也因此恶化。而当多层膜厚度增加时,多层膜循环初期出现一定时间的活化时期。在此基础上,本文中通过共沉积方法在硅层中掺入一定量的钛(Ti)元素,来进一步缓解硅的体积效应,对比掺杂前后硅薄膜的循环性能,发现掺Ti的薄膜材料,循环性能有显著的提升,循环稳定性有了很大提高；与此同时,Ti的引入也能一定程度上改善硅的离子电导率,有助于锂离子在薄膜内部的扩散,极大的加快了活性物质的活化,使得循环初期比容量性能有了较大改善。
【作者】童永峰；
【导师】王君；
【作者基本信息】兰州大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】碳硅多层膜；锂离子电池；磁控溅射；电化学；

【参考文献】
[1]蔡宇凯.一种新型结构的石墨烯纳米器件的研究[D].南京邮电大学,2012.
[2]刘新玲.科技与低碳互动关系研究[D].渤海大学,科学技术哲学,2013,硕士.
[3]张定丰,房俊逸,叶杰旭,邱松凯,钱东升,戴启洲,陈东之.生物滴滤塔净化多组分废气的研究[J].环境科学,2013,06:2116-2120.
[4]郑孟林,吴铁生,王桂梁,高庆胜,邓秀春.辽河拗陷断层的选择性反转特征[J].石油地球物理勘探,2004,02:228-231+125-248.
[5]郑剑辉.广东省企业职工基本养老保险制度保障水平的研究[D].贵州财经大学,劳动经济学,2013,硕士.
[6]张飞.电动汽车电机驱动系统传导电磁干扰的建模和实验研究[D].重庆大学,电气工程,2014,硕士.
[7]刘卫平.自动售检票系统设备维修管理模式的研究[J].现代城市轨道交通.2005(05)
[8]周琼,曾晰.高校立德树人实现途径的思考[J].杭州(周刊),2014,02:61.
[9]丛日起.船用锅炉液位控制系统的研究与仿真[D].大连海事大学,船舶与海洋工程,2014,硕士.
[10]焦静静.新型离子液体型表面活性剂在水溶液中的胶束化行为[D].山东大学,胶体与界面化学,2013,硕士.
[11]田素雷.卫星电视安全接收芯片的设计与实现[D].西安电子科技大学,电子与通信工程,2008,硕士.
[12]王强.50-150吨重型数控机床基地项目商业计划书[D].首都经济贸易大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[13]邓成豪.卸荷理论下隧道洞口围岩稳定性及锚杆支护参数的研究[D].华侨大学,岩土工程,2013,硕士.
[14]慧芳.核磁共振地下水探测信号分层多指数反演方法研究[D].吉林大学,测试计量技术及仪器,2013,硕士.
[15]赵英凯,蔡宁,熊辉.基于DRNN及其相应算法的非线性系统的状态预估[J].控制与决策,2000,01:67-70.
[16]黄依美.汉泰佛教成语研究[D].湖南师范大学,汉语国际教育（专业学位）,2013,硕士.
[17]刘天亮.CAPE衍生物对大鼠心肌I/RI的保护作用研究[D].西南大学,药物分析学,2013,硕士.
[18]杨景如.84例开放性乳突根治术中耳甲腔成形术疗效的回顾性分析[D].大连医科大学,耳鼻咽喉科学,2012,硕士.
[19]侯黎.山东省公路水运工程试验室有效监督管理的研究[D].天津大学,项目管理,2013,硕士.
[20]段男男.我国城镇低收入群体住房保障问题研究[D].东北大学,马克思主义中国化研究,2010,硕士.
[21]罗丽丽.我国高校大学生就业管理部门职能研究[D].东北大学,教育经济与管理,2010,硕士.
[22]李菊.基于跨区域发展视角的城市商业银行效率研究[D].重庆大学,金融学,2014,硕士.
[23]常娥.电针金津玉液穴为主治疗假性延髓麻痹的临床观察[D].黑龙江中医药大学,中医学（专业学位）,2013,硕士.
[24]刘凯.基于ARM的研磨系统人机界面设计[D].广东工业大学,机械工程,2014,硕士.
[25]崔菊.融合中国古典园林艺术的现代公共建筑院落形态空间设计研究[D].安徽建筑大学,城市规划与设计,2012,硕士.
[26]付婧.个人价值观与送礼行为关系的中美对比研究[D].上海外国语大学,英语语言文学,2012,硕士.
[27]尹淑云.中国网络政治粉丝研究[D].华中师范大学,新闻学,2014,硕士.
[28]俞克强.全自动拼接技术研究[D].浙江理工大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[29]王虹.新的Vif结合CBFβ及降解APOBEC3的重要功能区[D].吉林大学,制药工程,2014,硕士.
[30]王淑贤.高中数学高效课堂教学模式的调查与研究[D].河北师范大学,学科教学,2014,硕士.
[31]张辉.豫西南方言研究三十年[J].南阳师范学院学报,2014,04:27-30.
[32]诸嘉慧,袁新枚,邱阿瑞,王维俭,刘志强,郭玉恒.大型水轮发电机转子偏心对单元件横差保护影响的分析[J].电力系统自动化,2005,11:45-48.
[33]周丽娜.皮层多点记录的体感诱发电位检测方法对局灶型肌张力障碍病的研究价值[D].大连医科大学,神经病学,2012,硕士.
[34]崔兴.中关村西区四号地工程项目质量控制管理研究[D].燕山大学,项目管理,2013,硕士.
[35]丁玉珍.基于实时信息车辆可租赁的车辆路径问题（VRP）研究[D].武汉纺织大学,企业管理,2013,硕士.
[36]张勇军,李静,郝春辉,王卓君.基于TDC控制和全变频调速的热连轧卷取机电控系统[J].冶金自动化,2008,01:30-34.
[37]余方.基于窗口和速率的IPN主干网传输协议研究[D].湖南大学,计算机科学与技术,2011,硕士.
[38]记者华凌.石墨烯可作为人工光合作用高效催化剂[N].科技日报,2012-07-19001.
[39]禹煜.基于Cocos2d-x引擎的移动平台捕鱼类游戏的设计与实现[D].北京交通大学,2014.
[40]王昕博.基于市场需求的交通BOT项目特许决策模型[D].大连理工大学,项目管理,2013,硕士.
[41]乔阔.我国高中交际式口语教学探究[D].东北师范大学,教育,2003,硕士.
[42]齐同军.城市规划信息化研究与实践[D].浙江大学,2003.
[43]敏镜.数显装置是老企业设备更新改造的重要途径[J].机械工程.1985(06)
[44]胡放之,李良.城镇化进程中民生改善进程问题研究——基于湖北城镇化进程中低收入群体住房、就业及社会保障的调查[J].湖北社会科学,2015,02:78-83.
[45]苏晶.基于Nafion膜的钒电池用新型阻钒离子膜制备与性能研究[D].哈尔滨工业大学,化学工程,2013,硕士.
[46]祖丹丹.奥沙利铂联合NK4基因对于结直肠癌HCT116细胞增殖、侵袭的影响[D].山西医科大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[47]李晓晨.地震资料叠前去噪方法研究及应用[D].成都理工大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[48]吕霞.基于顶点对称性的平面3和5自由度可分离运动链综合[D].燕山大学,系统工程,2014,硕士.
[49]陈成,何玉庆,卜春光,韩建达.基于四阶贝塞尔曲线的无人车可行轨迹规划[J].自动化学报,2015,03:486-496.
[50]张玉兴.电镀金刚石线切割单晶SiC晶片的加工表面研究[D].华侨大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.