锂离子电池用纳米碳纤维—硅复合负极材料

【摘要】锂离子电池(LIB)的无记忆效应、能量密度高以及自放电率低等优点使其在工业领域迅猛发展。随着其在便携式设备和动力汽车中的应用,人们对于锂离子电池的负极材料提出了更高的要求。目前石墨作为商用锂离子电池的负极材料,在充放电过程中锂的嵌入量较低,理论容量只有372mAh/g。同时由于过充或其他原因引起的锂枝晶影响电池的安全性。Sn、Si、A1、Pb等金属与锂形成金属间化合物,表现出较好的电化学性能。这些高容量的负极材料还没有商业化的原因是其在嵌锂时发生较大的体积膨胀,超过100%。这会造成材料结构发生严重的破坏甚至粉化,使材料失去电接触,导致容量的迅速衰减。因此消除因金属材料在充放电过程中的体积变化而造成的电池失效成为负极材料研究重点。目前的研究表明,三维网络电极结构能有效缓冲硅在嵌锂时产生的体积变化,同时这种结构为锂离子提供了传输通道,提高电极的倍率充放电性。热解细菌纤维素(PyrolyzedBacterialcellulose,PBC)保留了细菌纤维素(BC)的三维多孔结构,将上述金属材料担载到PBC的三维网络中,形成金属／纳米碳纤维复合三维电极是提高LIB负极材料电化学综合性能的有效途径。因此,将PBC与硅材料复合制备新型锂离子电池负极材料,对于将硅负极材料商用化具有重要意义。本论文以BC为前驱体,通过高温烧结制备了具有三维网络结构的纳米碳纤维(PBC)。在此基础上通过打浆法和溶胶凝胶法分别制备了PBC/碳纳米管(CNTs、PBC/Si和PBC/SiO2复合负极材料,利用FESEM、TG、XRD以及循环测试等方法详细研究了其结构和性能的关系。主要研究内容和结论如下：1.PBC及PBC/CNTs的结构与性能。PBC具有三维多孔网状结构,存在石墨化碳。电性能测试显示PBC的电池容量略低于石墨,但加入羧基化碳纳米管可以提高PBC的导电性以及电池的容量。PBC/CNTs复合材料的首次充电容量达到1280.6mAh/g,库伦效率为45.7%。循环20次后可逆容量达到433mAh/g,不仅优于PBC,同时超过了石墨的理论容量。2.打浆法制备的PBC/Si复合材料的结构与性能。PBC/Si的电化学性能较好,首次充电容量达到3375mAh/g,经过65次循环后后可逆容量为1369mAh/g。只要适当的控制硅的含量及其分散,PBC的特殊三维结构可以作为充放电过程中硅体积膨胀的缓冲区。3.溶胶凝胶法制备PBC/SiO2复合材料的结构与性能。PBC/SiO2复合材料的导电性差、容量低,存在严重的粉化现象。仅仅用二氧化硅作为碳-硅复合负极材料的硅源不是十分有效。
【作者】吴越；
【导师】王彪；
【作者基本信息】东华大学，材料工程（专业学位），2014，硕士
【关键词】锂离子电池；负极材料；热解细菌纤维素；碳纳米管；硅；

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