硅基锂离子电池负极材料的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要商业化锂离子电池主要采用石墨作为负极材料,具有良好的循环性能,但是理论比容量只有372mAh/g的石墨材料已经难以满足市场对锂离子电池高容量的需求,因此,人们迫切希望研发高容量的新型负极材料。目前硅基、金属氧化物(氧化钴、氧化铁、氧化铜等)、锡基材料、复合材料等新型负极材料引起了人们的关注,其中硅材料由于其具有4200InAh/g的最高理论比容量而备受瞩目。但是硅材料在锂电池充放电过程中嵌锂前后体积变化过大容易导致材料粉化及降低电极导电性,从而限制了硅基负极材料的应用。近年来,研究表明硅基材料的纳米化有助于缓解材料粉化,提高电池性能。基于此,本论文将采用一种简单易行的方法实现硅基材料的纳米化,同时优化锂离子电池集流极的结构,从而实现锂离子电池性能的提升。本文研究内容主要包括以下两个方面: 一、系统研究了硅颗粒尺寸对锂离子电池循环性能的影响。我们采用三种不同尺寸的硅颗粒作为锂离子电池负极材料:手动研磨硅纳米线获得的硅纳米颗粒(直径:一50nm)、直接球磨晶体硅得到的硅颗粒(直径:~200 nm)和直接手动研磨晶体硅得到的微米颗粒(直径:~2¨m)。研究结果表明以纳米颗粒为负极材料的电池具有最好的循环性能。二、研究了集流极结构对循环性能的影响。通过采用单层、两层、及三层泡沫镍作为集流极衬底,研究电池循环性能,结果表明两层泡沫镍结构的集流极有利于提升电池循环性能;另外我们在泡沫镍表面沉积铜纳米颗粒以改善电极导电性,进而提升电池性能。因此本论文通过硅颗粒的纳米化及优化集流极的结构,以提升锂离子电池的比容量和循环稳定性。硅颗粒的纳米化方法简单易行,与传统的高能球磨和热解有机硅制备方法相比,步骤简单、所需设备廉价。另外集流极结构的优化,可使基于硅颗粒的电池比容量提升近20%,而且这种电极结构也可用于其它材料的电极制作. 【关键词】硅颗粒,负极材料,泡沫镍,集流极,锂离子电池 Abstract 浙江大学硕士学位论文 The伊印hite,mercial anodemate嘲l forlithiumionbatteries,cannot meet thenew requiremem ofhigh-performance lithium ionbatteriesbecause ofitslimited theoretical capacity of372mAh/ ofnew anode materials are being studied, such as silicon based material, metallic oxide, TiIl_based material, and posite at缸acted much a位ention for itshighest theoretical c印acity ofa11,4200mAh/,there are two bigproblems thatlimited the application ofsilicon asanode firstproblem isthathuge Volume change duriIlg lithium iIlsertionande赋raction leads tomaterial pulVerization,resulting in seVere capacity ispoor elec仃iCalconductiVity studiesshow thatreducillg siliconpanicles ton柚o size can relieftheVolume change. On thebasisofthis,weintroduce锄eaSy method ofprepariIlg siliconnanopanicles and optim泣e thestmcture of current collector toimproVe thecycle performance of lithium ionbatteries. Inthisthesis,thefollowing t、VoaSpects werc maillly Studied kinds ofparticles widldifferents泣eswere prepared asanode materials: siliconnanop矾icles with aVerage s娩e of 50 nm prepared by milling silicon nanowires,silico