编号：NMJS09810
篇名： ZIF-67衍生的多孔碳/硅负极的制备及储锂性能研究
作者： 刘小芳
关键词： 锂离子电池; 核壳结构; 单宁酸; 协同保护刻蚀; 纳米盒结构;
机构：武汉理工大学
摘要： 随着当代人们环保意识的不断加强,对于清洁能源的需求与日俱增。锂离子电池（LIBs）因能量密度高、使用寿命长、应用便捷,在日常生活中得到了极大的普及。此外,随着技术的不断发展,LIBs现在正逐渐向电动汽车以及新能源存储领域不断扩展。为了满足这些大规模应用的容量和循环寿命要求,新材料的探索和结构的设计已成为当务之急。然而,作为LIBs商业负极的石墨,由于极低的锂存储容量已经远远不足以满足未来便携式电子产品的容量要求,以及电动汽车的高储能要求。硅（Si）具有理论上难以接近的比容量(4200mAh g-1)和丰富的地球资源,受到了极大的关注,被认为是下一代锂离子电池负极材料的主要力量。不幸的是,硅的发展和应用仍然受到本质上较差的导电性和巨大的体积膨胀（≈300%）的致命缺陷的阻碍。为了克服这些问题,研究者们提出了各式各样的方法。其中,将具有导电性的碳材料与硅结合形成硅碳复合材料是目前应用最多,也是最有效的方法。因此,本文采用ZIF-67作为碳材料的来源,将其与硅纳米颗粒进行复合形成Si/C复合材料。然后通过设计结构将Si/C复合材料进行优化,并将其作为高电化学性能的锂离子负极材料。具体设计如下: （1）对于硅作为锂离子电池负极面临的两大问题（充放电过程严重的体积膨胀以及低的电导率）,通过简单的液相法和热处理过程,我们在水溶液中成功地制备了一种具有介孔结构的核壳硅碳复合材料。相对于纯硅负极,Si@Co-NC复合材料具有一定的储锂性能,并且提高了电极的电导率。在0.5 Ag-1的电流密度下循环150圈后,Si@Co-NC电极的可逆容量为952 mAh g-1。在1 Ag-1的条件下循环300圈时,Si@Co-NC电极的比容量仍可以保持在843 mAh g-1。这说明将硅与碳材料进行复合,可以有效地缓冲硅的体积膨胀并提高材料的电导率。 （2）为了进一步提高锂离子电池的可逆容量,在合成核壳结构的基础上,利用单宁酸的协同保护刻蚀策略得到了纳米盒结构的Si@Co-HNC。这种结构可以更有效地缓冲硅在锂化和去锂化过程中巨大的体积膨胀,从而减缓体积膨胀带来的内部机械应力。由于这种巧妙的结构设计,Si@Co-HNC电极在0.5 Ag-1的电流密度下循环120圈提供了1205 mAh g-1的放电比容量,容量保持率高达78%。当电流密度增加到1 Ag-1时,经过300圈的长循环仍能保持1084 mAh g-1的可逆比容量,是纯硅电极的7倍。这说明单宁酸的刻蚀作用使得碳层内部有足够的空间可以缓冲纳米硅颗粒的体积膨胀,从而提高了电极在循环过程中的可逆容量。