鋰離子電池多孔硅基材料的制備及改性研究.pdf

1、硅材料因具有4200mAh/g的超高比容量而成為研究熱點,但嚴重的體積效應導致其循環(huán)穩(wěn)定性能并不理想。改善其體積變化的手段之一是設計多孔結構的硅材料,空隙可以作為體積變化的緩沖空間從而減緩嵌/脫鋰過程中硅的結構破壞。本文主要內容是探索金屬輔助化學刻蝕法制備多孔硅的具體步驟,并采用乙炔氣相沉積法對多孔硅進行碳包覆來改善多孔硅的導電性。采用SEM、EDS、TG等物理表征方法研究多孔硅材料的形貌及組成,通過恒電流充放電測試、循環(huán)伏安等手段評價

2、多孔硅材料的電化學性能。
　　采用銀鏡反應對200目硅粉及球磨后的硅粉進行金屬Ag的沉積并刻蝕,不能得到多孔形貌,原因主要是由于還原后的Ag顆粒僅依靠物理作用附著在硅基體表面,Ag與硅的結合力不牢固從而不能持續(xù)刻蝕出孔結構。而采用伽伐尼反應對200目硅粉進行沉積Ag并刻蝕,可以制備出多孔硅材料,100mA/g電流密度下多孔硅的首次放電容量為2805mAh/g,首次庫倫效率為73％,10個循環(huán)后容量為722mAh/g,設計多孔結構并

3、沒有達到改善硅材料循環(huán)穩(wěn)定性的目的,主要原因是由于硅顆粒過大,設計的多孔結構遠遠不能夠緩沖大顆粒產生的巨大應力,而且粘結劑也不能有效包裹過大的硅顆粒,因而多孔硅材料仍然存在嚴重的體積變化,電化學循環(huán)性能較差。
　　采用伽伐尼反應對球磨后的小顆粒硅粉進行了刻蝕,結果發(fā)現(xiàn)卻不能得到多孔結構,原因是硅粉顆粒過小,與HF反應活性高,使得金屬Ag的催化效果得不到體現(xiàn)。因此,選擇合適粒徑的硅顆粒對制備多孔硅材料來說非常重要。
　　為了進

4、一步改善多孔硅的導電性,采用乙炔氣相沉積法對多孔硅進行碳包覆,當乙炔氣流量為40ml/min時得到的多孔硅性能較好,其碳含量在12%左右。在100mA/g電流下,首次放電容量為1710mAh/g,首次效率提高到81%,10個循環(huán)可逆容量為926mAh/g,該材料電化學性能提高主要原因是導電性增加,但是由于硅尺寸、孔徑、孔深度的不理想導致該材料在后續(xù)循環(huán)中仍然存在較大性能衰減。
　　本文嘗試將多孔硅進行球磨處理,納米孔被破壞后形成了