论文部分内容阅读
在各种现有的储能技术中，高性能锂离子电池（LIBs）的发展对于便携式电子设备至关重要，它们也显示出在电动交通系统上的巨大潜力，包括电动汽车和混合动力电动汽车。硅材料含有高的理论比容量、低放电平台以及在自然界中储量丰富，因此它被广泛认为是最具吸引力的负极材料。然而，硅材料严重的体积效应阻碍了其在商业化上的发展，本文以改善硅体积膨胀为出发点，设计制备出多种硅基材料并作为锂离子电池负极材料进行储锂性能的研究。主要工作内容如下：
（1）基于柯肯达尔效应，采用镁热还原法将二氧化硅还原成中空结构的纳米硅。这种独特的中空结构显著地提高了硅材料的电化学性能。作为锂离子电池负极材料，中空纳米硅负极在500mAg-1的电流密度下首圈放电比容量高达1810mAhg-1，且经过150圈充放电循环后仍保留了690mAhg-1的比容量，在5.0Ag-1的超大电流密度下仍能提供117mAhg-1的比容量。其出色的循环稳定性和倍率性能可归因于自身的空心结构，这能有效地缓解体积膨胀并提升锂离子传输速率。
（2）采用stober法在g-C3N4基板上负载二氧化硅，再经镁热还原制备成g-C3N4/Si纳米复合材料。硅纳米颗粒均匀地负载在g-C3N4基板上并与之紧密结合。作为锂离子电池负极材料，g-C3N4/Si纳米复合材料负极在200mAg-1的电流密度下首次放电比容量约为1026mAhg-1，且经过400圈充放电循环后仍有587mAhg-1的比容量。在倍率性能测试中，g-C3N4/Si纳米复合材料负极在2.0Ag-1的大电流密度下能提供217mAhg-1的比容量。g-C3N4基板在复合物中作为良好的缓冲层有效地抑制了硅纳米颗粒的体积膨胀从而提升了纳米复合材料的储锂性能。
（3）采用金属硝酸盐辅助聚合物热解鼓吹过程，制备成多孔氮掺杂碳包覆硅的纳米复合材料（Si@PNC）。作为锂离子电池负极材料，Si@PNC负极在200mAg-1电流密度下首圈放电比容量为1626mAhg-1，经过200圈充放电循环后仍有1030mAhg-1的比容量。此外，在5.0Ag-1的电流密度测试下，其表现出优异的不可逆比容量（375mAhg-1）。Si@PNC负极出色的储锂性能受益于其多孔的核壳结构。
（4）采用静电纺丝技术，将Si/CNT复合物与碳纳米纤维结合制备成复合纳米纤维布（Si/CNT/CNF）。将Si/CNT/CNF直接作为锂离子电池自支撑无粘结剂的负极材料，并研究了不同比例含量的复合物的电化学性能。结果表明，8%比例的Si/CNT/CNF负极具有更好的储锂性能，在200mAg-1的电流测试下首圈放电比容量高达1803mAhg-1，经100圈充放电循环后仍有1142mAhg-1的比容量。在倍率性能测试中，当电流密度达到5.0Ag-1时Si/CNT/CNF负极仍能提供529mAhg-1的高比容量。其优异的循环稳定性能和倍率性能归因于自身独特的碳纤维管网络结构，这不仅有效地缓解了Si纳米颗粒的体积膨胀，并且提升了复合物的导电性与锂离子传输速率。
（1）基于柯肯达尔效应，采用镁热还原法将二氧化硅还原成中空结构的纳米硅。这种独特的中空结构显著地提高了硅材料的电化学性能。作为锂离子电池负极材料，中空纳米硅负极在500mAg-1的电流密度下首圈放电比容量高达1810mAhg-1，且经过150圈充放电循环后仍保留了690mAhg-1的比容量，在5.0Ag-1的超大电流密度下仍能提供117mAhg-1的比容量。其出色的循环稳定性和倍率性能可归因于自身的空心结构，这能有效地缓解体积膨胀并提升锂离子传输速率。
（2）采用stober法在g-C3N4基板上负载二氧化硅，再经镁热还原制备成g-C3N4/Si纳米复合材料。硅纳米颗粒均匀地负载在g-C3N4基板上并与之紧密结合。作为锂离子电池负极材料，g-C3N4/Si纳米复合材料负极在200mAg-1的电流密度下首次放电比容量约为1026mAhg-1，且经过400圈充放电循环后仍有587mAhg-1的比容量。在倍率性能测试中，g-C3N4/Si纳米复合材料负极在2.0Ag-1的大电流密度下能提供217mAhg-1的比容量。g-C3N4基板在复合物中作为良好的缓冲层有效地抑制了硅纳米颗粒的体积膨胀从而提升了纳米复合材料的储锂性能。
（3）采用金属硝酸盐辅助聚合物热解鼓吹过程，制备成多孔氮掺杂碳包覆硅的纳米复合材料（Si@PNC）。作为锂离子电池负极材料，Si@PNC负极在200mAg-1电流密度下首圈放电比容量为1626mAhg-1，经过200圈充放电循环后仍有1030mAhg-1的比容量。此外，在5.0Ag-1的电流密度测试下，其表现出优异的不可逆比容量（375mAhg-1）。Si@PNC负极出色的储锂性能受益于其多孔的核壳结构。
（4）采用静电纺丝技术，将Si/CNT复合物与碳纳米纤维结合制备成复合纳米纤维布（Si/CNT/CNF）。将Si/CNT/CNF直接作为锂离子电池自支撑无粘结剂的负极材料，并研究了不同比例含量的复合物的电化学性能。结果表明，8%比例的Si/CNT/CNF负极具有更好的储锂性能，在200mAg-1的电流测试下首圈放电比容量高达1803mAhg-1，经100圈充放电循环后仍有1142mAhg-1的比容量。在倍率性能测试中，当电流密度达到5.0Ag-1时Si/CNT/CNF负极仍能提供529mAhg-1的高比容量。其优异的循环稳定性能和倍率性能归因于自身独特的碳纤维管网络结构，这不仅有效地缓解了Si纳米颗粒的体积膨胀，并且提升了复合物的导电性与锂离子传输速率。