壳聚糖衍生碳包覆纳米硅复合材料锂离子电池性能研究

硅负极材料因具有较高的理论容量(Li₂₂Si₅合金相对应4 200 mAh/g)、较低的工作电压(0.2～0.3 V vs Li/Li⁺)和地球上丰富的原材料储备,成为代替石墨负极的理想材料之一。但是,低电导率及在循环过程中发生剧烈体积膨胀导致电极失效问题限制了硅负极材料的进一步发展。因此,本工作通过物理法利用壳聚糖和石墨对纳米硅实现碳包覆和复合,制备壳聚糖/石墨@纳米硅复合材料(C/G@Si复合材料),对C/G@Si复合材料的结构、形貌和电化学性能进行研究。结果表明：随着石墨添加量的提高,C/G@Si复合材料的可逆比容量略微下降,循环性能和导电性能显著提高。当添加50%(质量分数)石墨时,在100 mA/g的电流密度下,C/G@Si复合材料的首次放电比容量为1 136.1 mAh/g,循环充放电100次后剩余容量保持在658.5 mAh/g,展示出优异的电化学性能,对进一步推广硅碳负极材料具有一定的参考价值。     

具有石墨碳骨架结构的硅碳负极材料的制备与电化学性能研究

硅碳材料作为锂离子电池负极材料具有广阔地发展前景。利用水热法和高温碳化法制备了蔗糖碳/硅复合材料(SC/Si),并在此基础上与石墨复合制备出具有石墨导电骨架结构的蔗糖碳/硅-石墨复合材料(SC/Si-Gr),并探究其作为锂离子电池负极材料电化学和电池性能。结果表明，蔗糖碳均匀包覆在纳米硅表面，形成的蔗糖碳/硅复合材料的电化学性能和电池性能随着蔗糖碳含量增加而提高。随着石墨的引入，构建的SC/Si-Gr三元复合材料的电化学性能得到进一步提升。当蔗糖：硅：石墨投料质量比为1∶1∶0.5时，形成的SC/Si-Gr(1∶1∶0.5)复合材料，在电流密度为0.1 A/g条件下，第三圈稳定之后的放电比容量为1 005.1 mAh/g;循环100圈之后放电比容量为819 mAh/g,充放电库伦效率保持在98%左右。在1 A/g大电流密度下，平均放电比容量为437.91 mAh/g。这归功于石墨的加入形成有效的导电骨架结构，提高了首次循环库伦效率，加速锂离子的传输速率，使蔗糖碳/硅-石墨复合材料呈现出良好的循环稳定性和充放电倍率性能。     

基于海藻酸钠交联的NiO/C复合材料制备及其储锂性能

NiO作为过渡金属氧化物代表,具有能量密度较高、成本低的优点,在锂离子电池负极材料的应用中引起了广泛关注。通过海藻酸钠与金属离子的自主交联反应,以及碳化、氧化过程,制备了低成本的多孔纳米NiO/C复合材料。得到的复合材料中,NiO纳米颗粒分散均匀且被石墨化碳层包覆,并嵌入多孔相互连通的碳基体中,在提升复合材料整体导电性的同时抑制了活性材料在电化学反应中的体积膨胀。将其用作锂离子电池负极材料时,NiO/C复合材料在0.1,1 A/g的电流密度下分别具有608.2,307.2 mAh/g的比容量,并且在0.1 A/g电流密度下经过100圈循环后仍保持448 mAh/g的比容量,显示出优良的循环稳定性。优良的电化学性能充分显示出NiO/C复合材料在锂离子电池负极材料中的应用潜能。     

锂离子电池Si/C/石墨复合负极材料的电化学性能

采用热裂解方法, 热解分散于聚偏二氟乙烯溶液中的硅和石墨, 得到了具有稳定电化学循环性能的Si/C/石墨复合负极材料。透射电子显微镜观察发现, 复合材料形貌为无定型碳包裹硅颗粒的核壳结构。通过系统研究不同Si粒径和石墨含量对电极电化学性能的影响, 发现Si颗粒粒径越小复合材料电化学循环稳定性能越优越, 适当的降低石墨含量有利于电极材料剩余比容量的提高。当Si粒径为50 nm, Si与石墨质量比1:1时, 电极材料具有1741.6 mAh/g的首次放电比容量和72.5%的首次库仑效率, 60次循环后, 可逆比容量保持在820 mAh/g。热解有机物形成碳包覆的结构能有效地改善硅基类负极材料的电化学循环性能。     

碳纳米管包覆量对天然石墨负极材料的电化学性能的影响

用溶胶-凝胶法将碳纳米管(CNT)包覆到天然石墨的表面,提高其充放电比容量和循环寿命性能,并研究了不同含量的碳纳米管对天然石墨电化学性能的影响。通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和电化学测试等对CNT/天然石墨复合材料进行表征。结果表明,碳纳米管能在电极中构建空间三维导电网络,同时保留了天然石墨的晶体结构。随碳纳米管含量增加,复合材料的充放电比容量和循环稳定等电化学性能先升高后降低。碳纳米管包覆的质量分数为7%时,复合材料的综合性能最佳。在0.1C,CNT/天然石墨负极材料放电比容量为427mAh/g,比纯天然石墨(356mAh/g)提高了20%,循环100次后容量保持率仍有93.6%。     

三维网络结构氧化铜纳米线锂离子电池负极材料的制备和性能研究

通过阳极氧化法和后退火处理在铜箔上合成了三维网络结构氧化铜纳米线,将其作为负极材料制备了无需添加粘结剂的锂离子电池。研究了恒压氧化时间对材料形貌和电化学性能的影响。在1C的倍率下,氧化1000 s制备的CuO纳米线表现出最高的1172 mAh/g首圈放电比容量和594 mAh/g的可逆比容量,500圈循环可逆比容量为607.6 mAh/g,可逆容量保留率为102.3%。交联的三维网络结构CuO纳米线相互支撑,提供稳定的结构,有效缓解了CuO纳米线作为锂离子电池负极材料中的体积膨胀问题,表现出了优异的倍率性能和循环寿命。     

碳纳米管与石墨烯协同改性天然石墨及其电化学性能

以碳纳米管和氧化石墨烯为原料,二者按5∶3混合超声分散再高温还原制备碳纳米管/石墨烯/天然石墨(CNTs/rGO/NG)锂离子复合负极材料。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)和电化学测试等分析技术对复合材料的形貌、结构、电化学进行表征。结果表明:石墨烯和碳纳米管在天然石墨表面形成三维立体网络结构。与纯天然石墨相比,CNTs/rGO/NG复合材料具有良好的倍率性能和循环寿命,在0.1C时首次放电比容量为479mAh/g,可逆容量达473mAh/g,循环100次后容量为439.5mAh/g,容量保持率为92%,在0.5,1,5C不同电流倍率时容量依次为457,433,394mAh/g。     

锂离子电池用聚萘负极材料的制备及电化学性能

采用3,4,9,10-二萘嵌苯四酸二酐(PTCTA)为原料,经高温自由基聚合、气相沉积、脱氢、石墨化工艺制得锂离子电池用聚萘(PPN)负极材料。通过X射线衍射、扫描电子显微镜、激光显微拉曼光谱等检测技术对PPN负极材料的结构和表面形貌进行了分析与表征,研究了PPN作为锂离子电池负极材料的电化学行为。结果表明,PPN负极材料具有类似石墨的多片层结构,电化学测试表明,PPN负极材料具有良好的循环稳定性和倍率性能;在50mA/g电流密度下,PPN负极材料首次放电比容量为368.4mAh/g,经过200圈循环之后,PPN负极材料的放电比容量仍保持在300.3mAh/g。结果显示PPN适用于做锂离子电池负极材料。     

自支撑纳米硅/石墨烯复合纸柔性电极的制备及其电化学性能的研究

硅作为锂离子电池负极材料具有极高的理论比容量(4200mAh/g),是目前商业化石墨负极材料的数十倍。但是由于在充放电过程中极易发生粉化破碎,导致其循环比容量会迅速衰减。首次通过水热还原的方法制备了自支撑纳米硅/石墨烯复合纸柔性负极材料。SEM表征显示纳米硅颗粒均匀地分散在石墨烯片层中,制得的复合纸电极较纯硅纳米颗粒的电化学性能有大幅度提高,在100mA/g的电流密度下,首周放电比容量4003mAh/g,十分接近硅的理论比容量,且首周库伦效率高达91%。复合纸循环20周后比容量在3300mAh/g左右,50周后仍能维持1000mAh/g左右的比容量。这主要可归功于石墨烯纸电极优异的柔韧性和导电性,有效抑制了纳米硅颗粒的体积膨胀和结构破坏。同时水热还原法较低的还原温度保证了石墨烯纸还原前后厚度变化不大,有利于石墨烯片层与Si纳米颗粒的紧密接触。     

钠离子电池用膨胀石墨的电化学法制备及性能探究

为了探究膨胀石墨的储钠性能,利用电化学法制备了膨胀石墨,采用XRD对其结构进行了表征,并利用恒电流充放电、循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)对其储钠性能进行了分析。结果表明,鳞片石墨经过电化学氧化再经过高温瞬时膨胀之后,层间距略微增大,但依然保持着石墨的层状结构。以二乙二醇二甲醚(DEGDME)为电解液,膨胀石墨对钠离子表现出较好的嵌/脱钠容量、倍率性能和循环性能:当电流密度为700mA/g时,其可逆比容量为110.9mAh/g,是10mA/g时容量的66.8%。在100mA/g电流密度下循环100次时,其第100次循环时的放电比容量为154.8 mAh/g,第一次循环时的放电比容量为134.8 mAh/g,容量保持率为114.8%。通过PITT测试,得出钠离子在膨胀石墨中的化学扩散系数为DNa+=7.7×10-8 cm2/s。     

硅基锂离子电池负极材料的容量衰减及改进研究

硅材料的比容量(Li15Si4,3590mAh/g)是已商用化的石墨负极(LiC6,372mAh/g)的10倍,硅负极的商业化可有效提高单体电芯的容量,已成为当前研究热点。然而,由于硅负极材料在充放电循环时存在400%的体积膨胀,容易导致电极材料粉化开裂而从集流体上剥落,使得活性物质与活性物质、集流体之间失去电接触,同时不断形成新的固体电解质相界面膜(SEI膜),最终导致电化学性能的恶化。本研究从硅负极材料的储锂机理出发,提出硅负极材料锂化/脱锂化产生的体积膨胀效应导致的粉化开裂和SEI膜不稳定问题的最新调控方法和研究方向,为硅负极材料的研究应用提供支持。     

多孔硅/硅钛合金的制备及在锂离子电池负极上的应用

以钛掺杂介孔二氧化硅SBA-15为前驱体,用镁热还原法制备多孔硅/硅钛合金复合材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和红外光谱(FT-IR)等方法对复合材料进行表征;利用恒电流充放电对复合材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能进行分析。结果表明,多孔结构为体积膨胀提供了缓冲空间,硅钛合金的存在起到支撑骨架的作用,同时一定程度上改善了负极材料的导电性,多孔硅/硅钛合金复合材料具有较好的循环稳定性,0.1C循环50圈后可逆容量为801mAh/g,倍率性能也较单质硅材料大大提高,1C倍率下放电容量为618.9mAh/g。     

碳纳米粉用于锂离子电池负极材料的研究

采用XRD,SEM,IR光谱和物理测试等方法,研究了碳纳米粉的结构与性能及电化学性能。结果表明碳纳米粉的粒度为30nm,具有石墨结构,碳纳米粉的首次放电比容量为391.5mAh/g,首次循环可逆比容量是336.0mAh/g,不可逆容量仅是21.9mAh/g。碳纳米粉的循环伏安曲线的峰形与峰位基本相同,没有还原电流峰。结果显示碳纳米粉适用于做锂离子电池负极材料。     

纳米碳管用于锂离子电池负极材料的研究

采用氧化法提纯了煤焦化工业副产品中的纳米碳管,采用X射线衍射法对纳米碳管的结构进行了研究,透射电镜研究了纳米碳管的形貌。提纯的纳米碳管d002为0.3496nm,具有类似石墨的结构和较高的石墨化度。研究了纳米碳管的电化学性能,其首次放电比容量达584.3mAh/g;添加石墨粉组成了20％的纳米碳管和80％的石墨粉的体系作为锂离子电池负极材料,其首次放电比容量为490.1mAh/g,并有较好的循环性能。     

VO_2/rGO复合材料的制备及作为高容量锂离子电池负极的研究

采用简易的一步水热法实现了VO_2和rGO的有效复合,通过XRD、SEM、Raman等手段对复合材料的结构和形貌进行了表征,评估了该材料作为锂离子电池负极的电化学性能。结果显示,VO_2为片状形貌,氧化石墨烯在水热反应中被还原,与VO_2片形成了良好的复合结构。电化学数据显示,在100 mA/g电流密度下,VO_2/rGO复合材料可逆容量高达621.8mAh/g,远高于石墨的理论容量(372mAh/g)。在300mA/g电流密度下,该材料在100次循环后容量保持在384mAh/g。更重要的是,在2 000mA/g电流密度下,300次循环后容量仍维持在256mAh/g,容量保持率接近100%。基于rGO良好的导电性能以及VO_2与rGO的协同作用,制备的VO_2/rGO复合材料体现了较高的可逆比容量和良好的倍率性能及循环稳定性能,是一种具有前景的锂离子电池负极材料。     

锂离子电池用Si/针状焦复合负极材料的改性及其电化学性能

以石墨化针状焦为原料,采用机械球磨和化学气相沉积法(CVD)制得碳/Si/针状焦复合负极材料。结合XRD、SEM分析手段和电化学特征,研究发现:当石墨化针状焦复合20%的纳米Si后,其首次放电容量高达1110mAh/g,但25次循环后放电容量衰减为200mAh/g;采用CVD方法,在Si/针状焦复合材料的表面沉积厚度为6~8nm的碳后,其首次库伦效率为81%,25次循环后放电容量仍能稳定在860mAh/g,且循环效率接近99%。     

石墨烯/CdS量子点复合材料的电化学性能研究

原位合成法制备石墨烯/CdS量子点复合材料, 并考察其作为锂离子电池负极材料的电化学性能. 交流阻抗揭示电解质在石墨烯/CdS量子点复合材料表面形成稳定的SEI膜, 首次放电比容量达1264.7mAh/g, 循环20次后可逆容量为888.9mAh/g. 结果显示CdS量子点提高了石墨烯结构的稳定和层间传导性, 从而导致复合材料的电化学性能明显优于单独的石墨烯材料.     

硅/石墨烯/碳复合材料的制备及其储锂性能研究

通过氧化、PDDA-PSS-PDDA改性、包覆石墨烯、复合对苯二胺、800℃碳化,从而制得硅/石墨烯/碳复合材料,并对其形貌及性能进行了研究。结果表明,石墨烯含量为200mL时,制备的复合材料作为锂离子电池负极材料表现出良好的电化学性能,首次可逆充电比容量为957.2mAh/g,循环100次后,比容量可稳定在761.0mAh/g。     

核壳结构Si/C复合负极材料的制备与储锂性能研究

以酚醛树脂包覆纳米硅颗粒后通过碳化处理,制备了具有核壳结构的Si/C复合负极材料,并研究了碳化温度和电极中活性物质含量对储锂性能的影响。透射电子显微镜分析结果表明,该复合材料由厚度为5~15nm的无定型碳壳包覆的硅颗粒组成。电化学测试表明,750℃碳化所得复合材料在活性材料∶粘结剂∶乙炔黑=1∶1∶1(质量比)时,初始放电容量为1836mAh/g(首次库仑效率84.8%),循环50次后仍可保持873mAh/g的可逆容量。此外,具有核壳结构的Si/C复合负极比纯硅负极表现出更好的循环稳定性,这可能是因为碳壳的存在缓解了硅的体积膨胀、改善硅的导电性,在一定程度上保证了Li+嵌入和脱出过程的稳定进行。     

锂离子电池用硅/石墨/碳复合负极材料的电化学性能

采用湿法混料及高温热解法制备了锂离子电池用硅/石墨/碳复合负极材料,并研究了不同配方的复合材料结构及电化学性能。研究发现,硅含量为20%(质量分数)时,复合材料首次可逆容量为865mAh/g,循环30次后仍为757mAh/g,容量保持率可达88%,大大改善了硅基材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能。