编号：NMJS09719
篇名： 硅/金属硫化物复合锂离子电池负极材料的研制及其性能研究
作者： 杨涛
关键词： 锂离子电池; 负极材料; 异质结构; 硅; Bi2S3; FeS2;
机构：福州大学
摘要： 随着锂离子电池对于高能量密度负极材料的需求逐渐增加,硅材料因其具备高理论比容量(4200 m Ah g-1)与储量丰富的优势而有望成为取代传统石墨负极的材料之一,但是,硅材料自身电导率较低,并且在脱嵌锂反应中的巨大体积膨胀而导致的材料粉化以及固体电解质界面（SEI）的破裂和重组限制了其进一步的开发应用。因此,本课题以纳米硅材料为研究基础,在探索Bi2S3、FeS2作为负极材料的潜能与转化反应和合金化反应后,制备了Si@Bi2S3、Si@FeS2异质复合材料,利用Bi2S3、FeS2在转化反应和Bi合金化反应的过程中分别生成Bi与Li3Bi、Fe降低复合材料的内部电阻以及Li2S在异质结构吸附作用下分布于材料表面,并参与SEI膜的形成,使SEI膜具有更好的稳定性。 利用水热反应和溶剂热反应制备了Bi2S3、FeS2负极材料,并进行电化学性能表征。Bi2S3、FeS2负极材料的在500 m A g-1的电流密度下首次放电比容量分别达到623.60 m Ah g-1、852 m Ah g-1,循环50次以后维持在106.30 m Ah g-1、193.80m Ah g-1,并且倍率性能良好。两种材料在进行电化学阻抗测试后发现对比循环前,循环10次后电阻降低了74%和60%。经实验后,初步提出利用Bi2S3、FeS2的转化反应和Bi的合金化反应改善Si材料的性能的设想。 在对Bi2S3、FeS2的研究基础上,制备了不同质量比的Si@Bi2S3、Si@FeS2异质复合材料,在对不同质量比的复合材料进行形貌分析与恒流充放电循环分析后发现质量比为7:3的两种复合材料表现出更加优异的电化学性能。通过透射电子显微镜与X射线光电子能谱分析的表征手段证明了两种复合材料异质结构的成功构建。Si@Bi2S3、Si@FeS2异质复合材料在500 m A g-1的电流密度下首次放电比容量为2854.84 m Ah g-1和2707.70 m Ah g-1,分别循环150次和200次后放电比容量维持在1353.57 m Ah g-1和1153.40 m Ah g-1。通过对纯Si和Si@Bi2S3、Si@FeS2异质复合材料的循环稳定性以及循环前后电化学阻抗分析,并结合Bi2S3、FeS2的转化反应和Bi的合金化反应得知,Li2S在异质结构的电子耦合效应的吸附下分布于材料表面并参与SEI膜的形成,加强SEI膜的稳定性;同时异质结构能够降低复合材料电荷转移电阻。两种复合材料在循环后的电阻呈现降低趋势,循环10次后分别降低61%和35%,验证了Bi2S3、FeS2在脱嵌锂反应的过程中Bi与Li3Bi、Fe的生成降低复合材料的内部电阻。