新型锂离子电池负极材料的研究

近年来高比容量锡基负极材料和硅基锂离子电池负极材料以及高安全钛酸锂材料成为研究的热点。但是硅基、锡基材料在电池的充放电过程中材料体积变化剧烈,引起材料结构塌陷进而导致电池的循环寿命急剧下降。目前的解决方法主要集中在:1)材料颗粒的纳米化;2)材料合金化;3)引入惰性或者活性物质作为结构支撑。本论文通过引入碳材料并构建核壳结构的方法对硅基或者锡基材料改性,以改善其循环性能;采用高温固相法、熔盐法以及微波法制备钛酸锂材料,并对比三种方法以及工艺条件对材料性能的影响。 通过溶胶凝胶法引入石墨材料合成SnO2/石墨复合材料,XRD和SEM研究表明,两种材料的形貌和结构均保持了自身的特点。电性能研究显示石墨材料对改善SnO2的循环性能效果明显。含碳量为70%的复合材料,首次可逆容量为409.4 mAh/g,效率为77%,30次循环之后容量保持率为68%。进一步采用水热法引入无定形碳,并通过碳热还原合成了Sn/石墨/无定形碳样品。研究结果表明:所制备的复合材料样品具有以Sn为中心、无定形碳包围、石墨填充的类核壳的结构, 50次循环之后仍然保持有81.1%的容量。 采用气相扩散法合成了SnO2/石墨复合材料,通过XRD、SEM、恒电流充放电测试系统等手段对材料的微观结构和形貌以及电性能进行表征。分析结果表明:合成的样品可逆容量及循环性能高于普通溶胶凝胶法所制得复合材料。合成样品的首次可逆容量为618.4mAh/g,循环四十周后容量保持率为82.1%。 以糠醇树脂为原材料对硅基材料改性,通过XRD、SEM、TEM等方法考察了复合材料的微观结构表明:复合材料是具有核壳结构的Si-SiO2小球,小球粒径在50nm左右,其中的硅核为20nm,碳材料均匀的分散在小球的周围。材料的可逆比容量为762.8mAh/g,首次效率为75%,仅存在一个放电电压平台在0.1V-0.3V左右。材料的循环性能得到明显改善,50周循环后容量保持80.1%。 采用高温固相法、熔盐法、微波法合成钛酸锂样品,研究结果表明,高温固相法合成了亚微米级、纯相、晶型完好的尖晶石型Li4Ti5O12;倍率充放电性能优异:10C充电容量为1C容量的92.5%,10C放电容量为1C容量的94.8%,电压平台下降0.1V左右。熔盐法制备过程中可通过改变复合熔盐的比例控制合成产物的颗粒尺寸,另外XRD分析表明充足的氧气对合成含高价钛的Li4Ti5O12是很关键的。微波法可快速合成结晶度好的钛酸锂;电性能测试结果表明微波法制备样品的比容量相对固相法样品较小但首次库伦效率高,循环性能也较好。