鋰離子電池Si-TiO2納米復(fù)合負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、硅(Si)的理論比容量高達(dá)4200 mAh g-1，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鋰離子電池負(fù)極材料石墨的理論比容量(372 mAh g-1)，被認(rèn)為是最具有應(yīng)用潛力的鋰離子電池負(fù)極材料。此外Si的嵌鋰電位低至0.5 V，地殼儲(chǔ)量豐度達(dá)26.3％，且無(wú)毒、價(jià)格低廉。然而Si在脫嵌鋰過(guò)程中，體積變化非常顯著（可達(dá)400％），導(dǎo)致活性材料粉化，從集流體上脫落，造成電池的容量迅速衰減。這一弊端嚴(yán)重阻礙了Si材料在鋰離子電池中的應(yīng)用。
　　為了解決Si在脫

2、嵌鋰過(guò)程中容量迅速衰減的問(wèn)題，研究者采取了不同的手段來(lái)抑制Si在充放電過(guò)程中的體積變化，從而有效地改善了Si的電化學(xué)性能。其中，一些研究者制備了不同結(jié)構(gòu)的小尺寸、低維度Si材料，例如Si納米線、Si納米纖維、Si納米管、介孔Si納米微球、Si薄膜等，來(lái)解決Si的容量快速衰減問(wèn)題。有些研究者采用包覆手段，嘗試制備出Si與石墨、或者其它納米材料，例如與N、Ag、Ti、TiN、 Al2O3等進(jìn)行復(fù)合。相比于原始Si材料，經(jīng)過(guò)包覆以后，材料的電

3、化學(xué)性能有顯著的提高。
　　電解液與活性材料之間能否形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜(SEI膜)，是阻礙Si基材料商業(yè)化的另一重要因素。如果SEI膜在充放電過(guò)程中不能穩(wěn)定存在，會(huì)導(dǎo)致活性材料與電解液之間持續(xù)發(fā)生副反應(yīng)，從而減少電池的循環(huán)壽命。而對(duì)材料進(jìn)行表面的包覆，是一種被廣泛應(yīng)用的穩(wěn)定SEI膜的方法。
　　在本課題組之前的工作中，已經(jīng)利用水熱法成功制備出了Si/TiO2復(fù)合材料，并且改善了其電化學(xué)性能。但是復(fù)合材料中的Si顆粒并

4、沒(méi)用被TiO2納米顆粒完全、均勻的包覆，有一部分Si仍然裸露在外面。在電池的充放電過(guò)程中，TiO2納米顆粒包覆層并不能有效的抑制Si的劇烈體積變化。因此導(dǎo)致其對(duì)Si材料電化學(xué)性能的改善非常有限，經(jīng)過(guò)50周的循環(huán)以后，容量?jī)H剩余395 mAh g-1。
　　在本課題組前期工作的基礎(chǔ)上，本論文研究主要圍繞以下兩方面工作展開(kāi):
　　1.利用溶膠凝膠法制備出菠蘿狀結(jié)構(gòu)的Si/TiO2復(fù)合材料。采用X射線衍射儀(XRD)、拉曼光譜儀(

5、Raman)、X射線光電子能譜儀(XPS)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)等儀器對(duì)樣品進(jìn)行了物理表征測(cè)試。并且研究了Si/TiO2復(fù)合材料的電化學(xué)性能，結(jié)果顯示，Si和TiO2按照摩爾比為1∶4復(fù)合的材料顯示出最優(yōu)的電化學(xué)性能:經(jīng)過(guò)50周充放電以后，容量仍然保持在593 mAh g-1。相比于單純的Si、TiO2， Si/TiO2復(fù)合材料在容量以及循環(huán)穩(wěn)定性方面都有很大的提高，這主要?dú)w因于Si在充放電過(guò)程中，表面的T

6、iO2包覆層有效緩解了Si的體積變化，從而改善了其電化學(xué)特性。
　　2.利用原子層沉積(ALD)技術(shù)制備了一系列Si/TiO2復(fù)合材料。相比于如上所述的第一方面工作，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)ALD技術(shù)定量控制了Si表面TiO2包覆層的厚度。我們采用X射線衍射儀(XRD)、拉曼光譜儀(Raman)、透射電子顯微鏡(TEM)等儀器對(duì)樣品進(jìn)行了物理表征。并且研究了材料的電化學(xué)性能，結(jié)果顯示，納米Si經(jīng)過(guò)2 nm TiO2包覆層包覆以后，表現(xiàn)出最佳的電