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锂离子电池硅负极的失效行为与性能改进-化学工程与技术专业论文
Classified Index: TM912.9 U.D.C.: 621.355Dissertation for the Doctoral Degree in EngineeringFADING BEHAVIOR AND PERFORMANCE IMPROVEMENT OF SILICON ANODE FOR LITHIUM ION BATTERIESCandidate:Xu YuhongSupervisor:Yin GepingAcademic Degree Applied for:Doctor of EngineeringSpecialty:Chemical Engineering and TechnologyAffiliation:School of Chemical Engineering and TechnologyDate of Defence:June, 2010Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology摘要高容量负极材料已经成为锂离子电池发展的目标之一,而硅材料因具有高 达 4200mAh·g-1 的理论比容量而成为研究热点之一。但是硅负极材料在电化学 循环过程中存在较大的体积变化,从而造成了电化学循环性能的迅速恶化。因 此,有效抑制硅的体积变化造成的结构破坏、提高其电化学循环性能是本领域 急待解决的问题。本文从晶体结构、电极组成、材料设计三方面研究了锂离子 电池硅负极材料的失效行为及其电化学性能。采用电化学阻抗谱和 X-射线光电子能谱(XPS)研究了硅电极表面固体电 解质(SEI)膜的形成过程。结果表明,硅在 0.5~0.8V 之间形成 SEI 膜,且 SEI 膜在 0.05V 之上的稳定性较高。在 0.05V 以下,LixSi 结构的变化造成了 SEI 膜逐渐增厚。硅表面 SEI 膜的成分中,有机物成分以醚类或醇类物质为 主,而无机物以 LiF 为主。利用第一性原理计算方法研究了硅在合金化过程中形成的晶态 LixSi 的几何 结构、电子结构等微观变化。结果表明,在硅与锂的电化学合金化过程中,晶 态硅逐渐发生相变转化为 LixSi。晶态硅中的 Si-Si 共价作用逐渐减弱,键长逐 渐增大并最终断裂,四面体结构逐渐遭到破坏。随着 LixSi 中锂含量的增加,晶 态硅的电子局域化程度逐渐降低,锂原子轨道上的 p 电子逐渐转移到硅原子的 p 轨道,这使得 Li15Si4 具有了金属导电性,电子共有化程度有所提高。锂与硅 在合金化过程中逐渐形成 Li-Si 化学键,并从离子/共价混合键转变为弱共价 键。在晶态硅向 Li15Si4 的转变过程中,体积膨胀为原来的 369.2%。而晶体各向 异性的特点使得材料在不同宏观方向上的体积膨胀程度有所不同,由此产生的 内应力导致材料颗粒的破裂。结合电化学阻抗谱和电极形貌的变化可以将硅的 电化学失效原因归结为“电子传输通道中断”,即微观晶体结构的变化导致宏观 颗粒的破裂,进而导致颗粒间的电子传输路径中断,造成电化学性能的下降。研究了退火处理对硅电极电化学性能的影响。结果显示,在粘结剂(聚偏 氟乙烯)熔点之上对电极进行退火处理可以显著提高电化学性能。剥离实验和 电极形貌显示,退火之后,粘结剂的粘结力显著提高,电极结构更加致密,这 些都有利于抑制硅的体积变化对电极结构稳定性造成的破坏,减小电池阻抗。研究了不同电极组成和结构对电化学性能的影响。结果表明,硅含量和电 极密度对硅电极的电化学性能影响较大。当硅含量较小时,充放电循环初期硅 的体积变化对电极结构稳定性的影响较小,储锂容量较高,这也使得循环后期 的脱/嵌锂程度和相应体积变化增大,因此其容量以一定的速率持续衰减。而硅 含量增加时,充放电循环初期硅的体积变化对电极结构稳定性的影响较大,衰 减较快,这也造成后期循环过程中的脱/嵌锂程度较小,体积变化也相应减小,故在后期循环过程中能够保持较好的循环稳定性。由此可以推断:调节充放电 电压范围、控制储锂容量可以改变硅的电化学循环稳定性。此外,在集流体/活 性材料涂层界面加入导电碳层可以提高界面稳定性,降低界面接触电阻,提高 电子传输效率,显著提高电化学性能。纳米硅容易发生团聚和电化学烧结现象,通过表面包覆技术可以显著改善 此现象。以聚乙烯醇和聚偏氟乙烯为碳源制备得到的核/壳包覆结构可以显著提 高纳米硅的电化学性能,其可逆容量在 30 次循环之后均保持在 1000mAh·g-1 以 上,容量保持率均在 97%以上。其中,聚乙烯醇具有表面活性剂和碳源的双重 作用,在液相混合过程中,聚乙烯醇可以吸附在纳米硅表面形成分子膜,分子 膜经过碳化后可以形成碳层。而聚偏氟乙烯也可以在纳米硅表面形成致密的碳 层。由于聚乙烯醇热解碳的
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