硅基负极材料的制备及其电池特性的研究

锂离子电池以其优越的特性,已基本成为了新能源市场的主导者。然而,随着技术创新的不断推进,现如今锂离子电池中常使用的石墨容量(372 m Ahg^-1)逐渐无法满足各个领域的需求。因此,在近几年里,世界各国的研究者们都在着力研究开发新的负极材料。在众多后补材料中,硅材料凭借其最高的容量而成为焦点。除此之外,低的嵌锂电位和丰富的原材料等优势使得硅材料成为最有潜力的负极材料。但是循环中无法避免的巨大的体积膨胀（⁴00%）,会使硅颗粒发生破裂及粉碎,继而破坏了颗粒之间及颗粒与导电网络之间的电接触,致使严重的容量衰减和差的循环性。并且硅作为半导体,其本身的导电性也极差。因此,如何在维持高比容量的同时,提高材料循环性和使用寿命,是目前研究者们需要关注的焦点。大量文献总结发现,硅材料的纳米化能提高Li+在负极中的扩散速率,减小硅颗粒的绝对体积变化,改善材料的各项性能。但是,尺寸的减小会加剧颗粒之间的团聚,导致材料的电化学性能降低。基于上述理由,本论文以纳米硅为原材料制备出一种硅的复合材料,以提高其材料的各项性能;同时开发出新型的粘接剂,优化整个负极极片,从而实现电池各项性能的提升。本论文的主要内容:一、本论文利用聚乙烯吡咯烷酮作引导剂,采取原位化学聚合的方法在硅纳米颗粒的表面聚合一层导电聚合物聚吡咯,从而合成出蛋黄壳结构的硅/聚吡咯复合材料。其中聚乙烯吡咯烷酮能更好的将硅颗粒与聚吡咯有效结合,使得聚吡咯稳定的附着在硅颗粒表面,以提高硅/聚吡咯复合材料的结构稳定性。实验发现,对比于纯硅材料,硅/聚吡咯复合材料100周循环后依然有1400 m Ahg^-1左右的容量,约为相同条件下纯硅容量的4倍,且其库伦效率和倍率性能也有明显的提高。这些都归功于聚吡咯能有效地减缓硅颗粒的体积变化效应以及增加复合材料的导电性。二、本论文采用原位热交联的方法开发一种新型的弹性聚合物粘接剂（聚乙烯醇/聚乙烯亚胺粘接剂）,该聚合物粘接剂中的羟基和亚酰胺官能团可以形成一种具有弹性的相互交联网络结构。实验数据表明:在1 Ag^-1的条件下循环300周后,容量还有1063.1 m Ahg^-1,首次库伦效率有83.8%;且当电流密度增加至10 Ag^-1时,依旧有1590 m Ahg^-1的容量。使用PVA-PEI粘接剂的硅负极具有优越循环性和高倍率性,主要归功于粘接剂的强附着力,能帮助硅电极形成稳定电极结构,防止活性物质掉落及电接触网的损坏;且PVA-PEI粘接剂的弹性交联网状结构能减缓硅颗粒的体积变化,使纳米硅负极表面的固体电解质界面膜更加稳定。