论文部分内容阅读
与碳负极材料相比，合金材料具有高容量、高密度的优势，有望成为新一代高容量锂离子电池的首选负极材料。但合金负极材料在锂化过程中伴随较大的体积膨胀，材料易开裂粉化，导致活性物质丧失电接触，使电极容量迅速衰减。针对以上问题，纳米复合结构的提出是提高合金负极材料循环稳定性的有效途径。
本论文以聚丙烯腈为前驱体，利用聚丙烯腈的低温热解特性以及热解后聚丙烯腈转变为导电高分子材料，分别采用球磨-热解复合工艺与原位化学还原-热解复合工艺，合成了一系列复合型纳米金属负极材料。采用示差扫描量热法-热重分析(DSC-TGA)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等，研究了复合材料的合成条件、材料成分、内部形貌等特征。通过恒流充放电测试，探讨了复合材料的脱嵌锂反应机理和容量衰减的原因。
分别以硅锭和导电硅片为硅源，采用球磨-热解复合工艺制备了硅/热解聚丙烯腈复合材料。复合材料中纳米硅颗粒被聚丙烯腈的热解产物均匀包覆。硅锭球磨并与聚丙烯腈复合热解后的材料首次充电容量为573.8mAh/g，首次充放电效率为58.3％，经过30次循环后容量仍然保持在426.8mAh/g。导电硅片球磨并与聚丙烯腈复合热解后的材料首次充电容量为860.2mAh/g，首次充放电效率为67.1％，经过30次循环后容量仍然保持在466.8mAh/g。以导电硅片作为硅源要好于硅锭，提高硅的导电性能有利于提高复合材料的电化学性能。
直接以纳米硅粉为硅源，采用热解复合工艺制备了纳米硅/热解聚丙烯腈复合材料。复合材料中纳米硅粉被聚丙烯腈的热解产物均匀包覆。纳米硅复合材料首次充电容量827.7mAh/g，首次充放电效率为65％，经过25次循环后容量仍为418.6mAh/g。
采用化学还原-热解复合工艺分别制备了球形纳米锡/热解聚丙烯腈复合材料、纳米锑/热解聚丙烯腈复合材料和纳米钴/热解聚丙烯腈复合材料。复合材料中纳米金属颗粒被聚丙烯腈的热解产物均匀包覆。纳米锡复合材料首次充电容量达950.7mAh/g，首次充放电效率为64％，30次循环后容量达449mAh/g，平均循环容量衰减率小于1.7％。纳米锑复合材料首次循环充电容量达899.6mAh/g，首次充放电效率为66.2％，15次循环后容量达549.9 mAh/g，平均循环容量衰减率小于2.5％。纳米钴复合材料首次循环充电容量为540.5mAh/g，首次充放电效率为48.9％，经过30次循环后容量仍保持306.6mAh/g。