编号：FTJS107935
篇名： 锂离子电池多孔碳/硅/碳复合负极材料的改性研究
作者： 肖雄
关键词： 多孔碳; 硅碳负极材料; 化学气相沉积; 锂离子电池;
机构：南昌大学
摘要： 锂离子电池作为现代最主要的储能器件被大量应用于各行各业,在锂离子电池负极材料中,石墨材料是目前主流的负极材料,但是由于其理论比容量(372mAh g-1)低而存在一定的局限性,已经无法满足市场的需求。硅材料具有极高的理论比容量(4200 mAh g-1),资源丰富,环境友好等诸多优点在负极材料上得到了显著关注,但由于其存在着体积膨胀过大而造成容量急剧衰减,较低的电导率使得无法大规模的商业化应用。 多孔碳材料由于其优良的电导率和超高的比表面积,作为缓解硅材料体积膨胀的框架存在非常明显的优势。本文主要通过化学气相沉积的方法,以硅烷作为硅源,乙炔作为碳源,多孔碳材料作为碳基底,从多孔碳选取开始,到硅调节沉积时间和碳包覆时间工艺,制备了性能优良的多孔碳/硅/碳（PC/Si/C）材料,并探究温度因素对PC/Si/C材料性能的影响。通过化学气相沉积法可以均匀的将硅沉积在多孔碳的孔隙之中,得益于多孔碳的孔状结构,可以很好的限制硅的体积膨胀。碳包覆层的引入不仅可以增大材料的导电性,削弱电极极化的影响,而且可以避免纳米硅直接与电解液接触产生一系列的副反应。 （1）多孔碳的选取对PC/Si/C材料的制备有着举足轻重的影响,通过简单的硅沉积和碳包覆工艺,对比电池循环性能,选择了最适合工艺的多孔碳基底材料。通过控制硅烷通气的时间来控制硅沉积的量和电池的比容量,最终确定硅烷通气时间为120 min时,多孔碳/硅（PC/Si）材料在兼顾比容量的同时,也拥有较好的循环稳定性,达到了相对最佳的综合性能。最后通过控制乙炔的通气时间控制碳包覆的量,以电池循环性能作为依据,当乙炔通气时间在60 min时,PC/Si/C材料获得最佳的性能。尽管PC/Si材料的在0.5 C倍率的充放电循环中(1C=1800 mAh g-1),首次充电比容量达到了1800.4 mAh g-1,但在充放电200圈之后,其充电比容量只有517.1 mAh g-1,而PC/Si/C材料的首次充电比容量为1675.8 mAh g-1,但循环200圈之后仍保持857.7 mAh g-1的较高比容量。 （2）在上一章的基础上优化了碳包覆温度,当碳包覆温度低于600℃时,多孔碳孔隙内的非晶纳米硅不会受到温度的影响转变为晶体硅,使得硅在充放电过程中膨胀减小,得到了性能相对更好的PC/Si/C材料,在0.5 C的倍率下(1C=1800 mAh g-1),其首次充电比容量高达1766.8 mAh g-1,循环200圈后,充电比容量仍能保持878.6 mAh g-1,首效提高至87.8%。通过将PC/Si/C材料在不同温度梯度下进行热处理实验,验证了在高温下PC/Si/C材料中的非晶纳米硅受到温度的影响转变成晶体硅,纳米硅在转变为晶体硅时,会产生一定的机械应力,对其表面的碳包覆层造成更多缺陷,并且通过电化学性能测试表征验证,随着晶化程度的升高,电池的循环性能会逐渐降低。并且通过一系列的材料结构表征验证了在温度达到800℃时,纳米硅会与周围的碳结合形成碳化硅,碳化硅的存在阻碍硅的嵌锂反应,使得材料的循环性能和能量密度巨幅下降。