鋰離子電池硅基氧化物復合負極材料制備及性能研究.pdf

1、鋰離子電池具有比能量高、工作電壓高、循環壽命長、安全性能好和無污染等優點，因而其應用范圍越來越廣。負極是鋰離子電池的重要組成部分，一直是人們的熱點。目前商業化的鋰離子電池負極材料主要以石墨類碳材料為主，但其容量較低，從而制約了鋰離子電池大規模應用。硅負極材料與其他負極材料相比，具有比容量高、脫嵌鋰電壓低，與電解液反應活性低等優點，但在充放電過程中體積變化較大，造成活性物質的粉化和剝落，導致容量的迅速衰減，從而阻止了硅材料的商業化應用。與

2、Si相比，SiO2具有更低的價格，儲量更豐富，循環過程體積變化更小，是一種理想的鋰離子電池負極材料。由于SiO2的強Si-O鍵和低電導率問題，使得SiO2電化學活性較低。本論文通過對SiO2表面包覆，靜電紡絲制備 SiO2/C復合纖維材料，制備 SiO2@C@石墨烯復合材料等方法，增強SiO2的導電性，提高材料的電化學活性，并對材料結構和形貌進行了表征，主要研究內容如下：
　?。?）采用在納米 SiO2表面包覆聚苯胺，并經過熱處理

3、后，制備了SiO2/C納米復合材料。通過改變不同的碳化溫度，得到了不同結構和形貌的SiO2/C納米復合材料，研究了碳化溫度對材料性能的影響。碳化溫度較低時，SiO2/C納米復合材料存在大量團聚，隨著碳化溫度的升高，團聚現象明顯減少。SiO2/C納米顆粒類似球形，外表包覆了一層碳。同時，SiO2/C納米復合材料顆粒間也是通過熱解碳連接。測試結果表明，SiO2/C-600具有最佳的電化學性能，首次放電和充電比容量分別948.2 mAh/g和

4、676.6mAh/g，首次庫倫效率為71.3％。50次循環后，可逆比容量仍然保持在600 mAh/g以上。這是由于隨著碳化溫度的升高，碳層的結晶度和導電性提高。同時，碳層中N元素含量發生變化，而N元素含量對電極電化學性能具有重要影響。
　?。?）采用靜電紡絲法制備了 SiO2/PVP原絲，再經過預氧化和碳化過程，制備了SiO2/C復合纖維材料。通過改變納米SiO2加入量，得到了不同形貌的復合纖維材料，研究了SiO2的加入量對復合纖

5、維材料電化學性能的影響。復合材料具有纖維狀形貌，纖維直徑在500 nm左右，且纖維彎曲。纖維間縱橫交錯形成網狀分布，纖維間也存在大量的空隙。隨著SiO2加入量的增加，纖維表面由光滑變得粗糙，并出現大量SiO2的團聚。測試結果表明，SiO2/C-0.3復合纖維材料具有最佳的電化學性能，首次放電和充電比容量分別為740.3 mAh/g和503.7 mAh/g，首次庫倫效率為68.4％。50次循環后，可逆容量仍然有468.9mAh/g。SiO

6、2/C復合纖維材料中納米SiO2與導電基體有著良好的電接觸，而且復合纖維間存在大量空隙，為充放電過程中的體積變化提供了緩沖空間，從而提高了復合纖維材料的循環性能。
　?。?）以氧化石墨（GO）、葡萄糖和SiO2納米顆粒為原料，采用兩步水熱法以及后續熱處理，制備了SiO2@C@石墨烯復合材料。對比研究了石墨烯的加入對材料電化學性能的影響。與純納米SiO2相比，SiO2@C@石墨烯復合物的首次放電和充電容量分別達到713.3 mAh/