编号：NMJS09727
篇名： 壳聚糖源多孔硅碳负极材料的制备及其储锂性能研究
作者： 申潇晴
关键词： 纳米硅; 垂直石墨烯; 多孔碳; 锂离子电池;
机构：哈尔滨工业大学
摘要： 锂离子电池作为高能量密度电池,具有优异的循环稳定性,高充放电效率和环境友好等特点。随着电动汽车领域的飞速发展,市场对高性能的锂离子电池的需求潜力持续增长。高性能锂离子电池需要更高的能量密度,硅（Si）作为凭借其较高比容量(4200 mAhg-1),已成为重点关注对象。然而,硅基负极在实验商业化运用中仍需克服众多难题。Si随着充放电进行膨胀和收缩,严重影响材料的机械稳定性,导致电极构造受损,进而影响电池循环性能的稳定性及整体的使用寿命。此外,Si本身导电性差,锂离子传输速率低,限制了硅基负极材料在快速充放电锂离子电池中的应用。本文利用壳聚糖分别与纳米硅颗粒（Si NPs）和垂直石墨烯/纳米硅（VGS/Si）颗粒复合,制备纳米硅与多孔碳负极材料。壳聚糖碳化后形成多孔碳基体,为Si的体积膨胀提供空间,改善纳米硅的分散性;使用VGS/Si与壳聚糖复合,调整乙酸的比例以及不同垂直石墨烯（VGS）包覆量优化材料的结构,增强负极材料的结构稳定性。本文主要研究工作和结论如下: 通过聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）对Si NPs进行表面处理,提高纳米硅的表面电荷电位,得到PDDA@Si。结果表明PDDA@Si的Zeta电位提升至+53.3 mV,显著降低了Si NPs的团聚现象。将壳聚糖与PDDA@Si复合之后,形成多孔硅碳负极材料（PDDA@Si/C）,而未经表面处理的Si NPs与壳聚糖复合之后得到Si/C材料。PDDA@Si/C负极与Si/C负极在半电池中的电化学性能进行对比,测试结果表明Si NPs分散性的提升明显改善了材料的循环性能。在2 A g-1下,Si/C电极充放电1000次电周期后,容量为185.0 mAhg-1,容量衰减82.9%;相比之下,PDDA@Si/C电极在相同测试条件下,充放电1000次后,仍有678 mAhg-1的容量,容量衰减35.4%。这种差异表明PDDA@Si/C电极在循环稳定性方面显著优于Si/C电极。 采用VGS/Si颗粒与壳聚糖复合,以不同比例的乙酸为造孔剂制备得到VGS/Si/C材料。随着乙酸比例的增加,孔隙数量逐渐增加,孔径尺寸也逐渐增加,乙酸/壳聚糖的比例确定为2:1时（VGS/Si/C/2）孔隙的尺寸为最佳（500 nm）。不同乙酸比例VGS/Si/C电极的电化学性能测试结果表明,VGS/Si/C/2电极在1.0 C倍率下经过200次充放电周期后,容量为851.1 mAhg-1,容量仅衰减20.6%。确定乙酸/壳聚糖的比例确定为2:1,采用不同VGS包覆量的VGS/Si颗粒与壳聚糖复合制备得到VGS/Si/C材料,包覆量越多,孔隙分布越均匀,VGS/Si/C电极的初始容量越低,但循环稳定性逐渐增高。经过500次的循环后,VGS包覆量最多（28%VGS/Si/C）的电极在3.0 C速率经过500次充放电周期后,容量为640.1mAhg-1,容量衰减24.1%。