编号：NMJS09725
篇名： 锂离子电池高性能硅负极的制备与改性研究
作者： 林腾飞
关键词： 锂离子电池; 硅负极; 粘结剂设计; 表面改性; 氨基黑;
机构：南昌大学
摘要： 随着新能源技术的飞速发展,人们对长期稳定的高能量锂离子电池（LIB）的到来也越来越期待。硅（Si）因其超高理论比容量(4200 mAh g-1),合适的电压平台,对环境友好且自然资源丰富等优势被视为最具有潜力的下一代高能量密度电池负极材料。然而,硅材料在电化学循环中存在不利的体积膨胀（>300%）,且自身导电导锂性能较差,使其容量快速衰减,阻碍了硅负极的发展。尽管科研人员已经开发出众多提升硅负极性能的改进方案,但其规模化应用仍面临挑战。因此,本文以低成本的微米硅为原料,基于粘结剂设计和表面改性的策略,缓解锂离子电池硅负极容量衰减,改善电化学性能,以此来推动硅负极的应用研究。主要研究内容如下: （1）利用天然高分子聚合物魔芋胶（KGM）来实现对传统CMC粘结剂的改性增强。通过两种组分之间的丰富的羟基和羧基反应,可以构成氢键和酯键交联,形成新的交织粘结剂网络（CK）。从润湿性、粘附力等多角度评估,得到性能最好的粘结剂体系CK31,并与酸洗球磨后的纯微米Si活性物质一起制备成Si负极。粘结剂丰富的基团可以和Si表面的-OH结合,发挥强大的粘结作用,同时增强极片的机械性能,在电化学反应过程中有效抑制Si的体积膨胀,保障电极不被破坏,最终实现Si负极电化学性能的大幅提升。在400 mA g-1电流密度下,使用纯CMC粘结剂的Si负极容量衰减快速,100圈后容量为0,使用CK31粘结剂制备的Si负极循环300圈后依然有928.0 mAh g-1的比容量,具有长寿命、高稳定、低阻抗等多项优异性能。 （2）利用聚马来酸（PM）和α-环糊精（α-CD）构建了新型的多功能三维网络粘结剂用于锂离子电池硅负极。利用简单的水浴过程,通过形成氢键和酯键交联,构建了具有高强度和超强粘附力的新型三维网络粘结剂（PC）。通过性能对比得到最优的PC51粘结剂,用于微米Si体系。在电化学循环过程中,由于粘结剂良好的机械和粘附性能,能够很好地支撑电极,成功抑制Si颗粒的体积膨胀,网络结构能够高效地耗散膨胀应力,保证了电极结构稳定,且有利于形成良好的SEI层。并且,得益于特殊的结构和丰富的基团,电极中Li+和e-的传输得到了助力,电池阻抗大幅减小。PC51粘结剂制备的Si负极在420 mA g-1电流密度下循环500圈后比容量仍有1643.4 mAh g-1,平均每个循环仅衰减0.10%,1000 mA g-1电流密度下循环300圈后仍有1499.5 mAh g-1比容量,表现出优异的循环稳定性,且与正极匹配装成全电池后,仍有优异性能表现。 （3）利用锂化后的氨基黑材料对Si进行表面改性,制备具有高导电导锂性能的Si负极。具体的,通过简单的工艺流程制备得到锂化氨基黑材料（LiAB）,对酸洗球磨后的纯微米Si原料进行表面改性,并制备出Si@LiAB电极。电化学过程中,由于氨基黑的导电共轭结构和丰富的导锂基团,电极的电化学阻抗大幅降低,有效提高对锂离子的扩散传输能力,并且通过参与SEI形成反应,调节SEI组分形成了良好的利于导锂的SEI层,最终大幅提升电化学性能。400 mA g-1电流密度下,未改性的Si电极容量快速衰减到0,而Si@LiAB电极在500圈长循环后仍有1380.8 mAh g-1比容量,平均每个循环仅衰减0.11%,在1000 mA g-1的大电流密度下循环500圈后剩余1273.0 mAh g-1高比容量,且高倍率和高负载性能表现优异。