【摘 要】
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随着电动汽车、消费类电子产品等领域的快速发展,传统的锂离子电池已无法满足人们的需求。目前商业大规模使用的石墨类C负极材料仅有372mAh/g的理论比容量,因此,理论比容量高达3580mAh/g(不计高温相)的Si负极材料成为研究的热点。传统的Si负极材料大都以冶金Si为原料制得,其制备工艺复杂、能耗高、对环境有污染。针对这一问题,本文首先以低成本的野生木贼科植物马尾草为原料,提取出纳米介孔生物质S
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随着电动汽车、消费类电子产品等领域的快速发展,传统的锂离子电池已无法满足人们的需求。目前商业大规模使用的石墨类C负极材料仅有372mAh/g的理论比容量,因此,理论比容量高达3580mAh/g（不计高温相）的Si负极材料成为研究的热点。传统的Si负极材料大都以冶金Si为原料制得,其制备工艺复杂、能耗高、对环境有污染。针对这一问题,本文首先以低成本的野生木贼科植物马尾草为原料,提取出纳米介孔生物质SiO2。然后以其为前驱体,用镁热还原的方法将介孔SiO2还原为介孔Si。最后采用包碳的方法制备出Si/C复合材料,并应用于锂离子电池负极中。本文主要研究了马尾草茎秆煅烧产物SiO2的形态和结构、还原产物Si的结构和Si/C复合结构对锂离子电池电化学性能的影响。主要的研究结果如下:（1）马尾草茎秆由表面到内部主要由保护组织、机械组织和薄壁组织三部分组成。前两部分含有大量Si元素,第三部分几乎不含Si元素。经HCl酸洗除杂和高温煅烧后获得直径为120μm的圆柱形SiO2纤维束,大纤维束内部由直径10μm的SiO2纤维紧密排列而成。将其磨成粉末后用XRF测得SiO2的纯度为99%,BET法测得其最大比表面积为300m2/g。产物的SAXS测试结果表明SiO2颗粒具有多级结构,其一次颗粒的尺寸约为9nm。（2）以提取产物SiO2为原料,在700℃经镁热还原酸洗干燥后获得纤维束介孔Si材料。SEM和SAXS的测试结果表明,其与SiO2前驱体具有相似的形貌和多级结构。BET测试结果表明,还原产物的比表面积达到了353 m2/g,大于SiO2前驱体的比表面积。（3）以四种有机物为前驱体,通过高温热解的方法在Si颗粒表面包覆碳层,制备出Si/C复合材料。碳的包覆提高了电极材料的导电性,缓解了Si材料在充放电过程中的体积膨胀,维持了电池的稳定。（4）将制备出的Si/C复合材料作为锂离子电池负极,在电流密度为500mA/g的条件下,首次充电容量为2437.4mAh/g,前几次容量衰减较快,循环稳定后经过1000次循环容量为650 mAh/g。本文以低成本的野生植物马尾草为原料,通过简单的除杂煅烧工艺提取出纯度较高的介孔纳米SiO2,然后采用镁热还原和包碳的方法制备出Si/C复合材料。与传统的Si负极制备方法相比,本文所采用的方法具有成本低廉、工艺简单、环境友好的优势。
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