静电纺丝结合镁热还原法制备Si薄膜锂离子电池负极材料及其性能研究[20200412221400]
摘要
静电纺丝技术是一种简单快速由聚合物制备高分子微纳米纤维的技术。本文是在聚丙稀睛中掺入正硅酸乙酯，通过静电纺丝技术结合镁热还原法制得Si纳米薄膜材料，该材料是自制成薄膜，可直接做为负极组装电池进行电性能测试。我们还利用XRD、红外等技术对薄膜材料的微观结构、组成成分进行了分析，并且将它作为锂离子电池的负极材料测试其化学结构以及电池容量。通过测试分析经过不同温度不同比例处理后的薄膜材料对电池性能的影响，找出Si纳米薄膜材料作为锂离子电池的最佳热处理温度，药品的最佳配比。
 *查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2 
关键字:硅锂电池负极材料镁热还原法静电纺丝
目录
1.前言 1
1.1 引言 1
1.2 锂离子电池 1
1.2.1 锂离子电池简介及工作原理 1
1.2.2 锂离子电池的类型 2
1.2.3 锂离子电池特性 4
1.2.4 影响锂离子电池寿命的因素 5
1.2.5 锂离子电池负极材料 6
1.3 静电纺丝 7
1.3.1 静电纺丝技术的简介 7
1.3.2 静电纺丝的装置 8
1.3.3 静电纺丝的原理 9
1.3.4 静电纺丝的影响因素 9
1.3.5 静电纺丝的应用 9
1.4 本课题研究的内容和目的 9
2.实验部分 10
2.1 实验药品和仪器 10
2.1.1 实验药品 10
2.1.2 实验主要仪器 10
2.2 实验过程 11
2.2.1静电纺丝溶液的制备 11
2.2.2 Si薄膜材料的制备 11
2.3 结果与讨论 11
2.3.1 电镜扫描图分析 11
2.3.2 红外谱图分析 15
2.3.3 XRD谱图分析 17
2.3.4 电池性能检测分析 20
结论 26
参考文献 27
致谢 29
1.前言
1.1 引言
自从工业时代以来，科技水平不断进步，社会不断发展，长期的能源消耗使得石油、碳等化石资源日渐枯竭，人们急切寻求一种新型的能源设备。自从19 世纪以来，随着铅酸电池、镁锰干电池 、锌汞电池 、镉镍蓄电池等的发明和出现，化学电源开始被越来越多的人所熟知,并且渐渐应用到平常的生活当中。20世纪80年代各位专家开始研究锂离子电池，锂离子电池因为具有绿色，安全，高性能的特点，成为市场上最受欢迎、研究最热门的新型蓄电池。在各种民用和军用领域、人造卫星、通信设备和交通工具等方面都得有广泛的应用[1]。但是锂离子电池作为一种新能源电池，还有很多性能可以需要得到进一步的提高，比如电池组成材料之间的差异等等对锂离子电池的性能都有着很大的影响。
本课题是在碳材料中掺入金属硅，结合镁热还原法制得Si纳米薄膜材料，该材料是自制成薄膜，不需要经过其他过程就可直接进行电性能测试。我们还利用XRD、红外等技术对薄膜材料的微观结构、组成成分进行了分析，并且将它作为锂离子电池的负极材料测试其化学结构以及电池容量。
1.2 锂离子电池
1.2.1 锂离子电池简介及工作原理
锂离子电池的基本构造由阳极、阴极、隔离膜三层组成，电池阴极材料是改性石墨，电池阳极材料是钴氧化锂制成的，隔离膜使用的是只允许锂离子通过的聚烯多孔膜[2]。市面上有各式各样的充电电池, 锂离子电池是其中一种绿色，安全，高性能的化学电源。锂离子电池是一种二次电池，通过锂离子在正负极之间的运动来完成电池充放电的过程。当电池充电时，两极间产生的电势差会迫使正极材料放出Li+，而放出的Li+通过电解液和隔膜后，由于负极是有微孔的层状结构材料，锂离子运动到了负极便开始嵌入到负极碳中，这就需要一个在组装前处于嵌锂态的电极，一般选择电位大于锂3 V的过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4 [3]。以LiCoO2为正极，C为负极，原理如图1-1所示。
图1-1 锂电池充放电过程
正极： LiCoO2→ Li1-x CoO2 + xLi＋+ xe-
负极： C+ xLi＋+ xe- →Lix C
总反应：LiCoO2 +C →Li1-x CoO2 + Lix C
1.2.2 锂离子电池的类型
锂离子电池在各种民用和军用领域、人造卫星、通信设备和交通工具等方面都得有广泛的应用并且制造工艺也有很大区别，因此其类型也有多种多样，目前国内市场上比较流行的锂离子电池主要有三种类型，即方形、圆柱形、钮扣式[4]。而相比国内，国外市场上比较流行的锂离子电池主要有圆柱形、棱柱形、方形、钮扣式、薄型和超薄型。可以人们日常生产生活以及科研等等不同用途的要求。并且不是一个单一的电池，一般都是由几个电池串联、并联在一起组成的电池组。
图1-2 圆柱形锂离子电池
图1-3 方形锂离子电池
图1-4 钮扣式锂离子电池
1.2.3 锂离子电池特性
锂离子电池与之前使用的传统电池相比，有许多独特的优势：
(1)开路电压高：在元素周期表中，锂是电负性最小的金属，因此使用锂与正负极发生插入反应，可以让电池得到较高的放电电压。
(2)能量密度高：锂离子电池在单位体积和单位质量上所能储存的能量都比目前市面上大量使用的Ni/Cd电池及Ni/Mn电池大。
(3)锂离子电池具有良好的安全性能，可多次重复使用，在正常情况下可达到500次以上，甚至超过1000次。在充放电过程中“枝晶”的产生会导致电路有短路的危险，因为Li+是“进入”正负极内部的，而不是像其他电池一样在电极材料表面形成沉积，这使得锂离子电池的安全性能，以及循环寿命得到大大提高。
(4)自放电率小：如果在室温下把充满电的锂离子电池储存1个月进行检测，会发现电池的自放电率仅为2%左右。在锂离子电池第一次充放电过程中，电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层钝化层，简称SEI膜[5]。SEI膜能有效地阻止电子通过，因此电池电量可以有效地保存。
(5)清洁、无污染：锂离子电池不含有铅，镉，汞和其他有毒重金属，对环境不产生破坏，是理想的绿色环保电池。
1.2.4 影响锂离子电池寿命的因素
判定锂离子电池 的好坏有一个重要的指标就是使用寿命，从宏观上看，循环寿命长意味着较少的资源消耗。凡是从事与锂离子电池行业相关的人员都有必要认真研究那些对锂离子电池 循环寿命产生影响的因素。下面列举几个对锂离子电池寿命影响比较大的因素。
①材料种类：毋庸置疑材料的差别对锂离子电池 寿命产生的影响应该放在第一位。如果使用循环性能较差的材料，无论制作工艺再合理，电芯 的循环也得不到保证; 材料的循环性能较好，即使在制备过程中出现一些问题，循环性能也可能不会有太大的偏差。［6］站在材料角度来看，电池循环性能的好坏，是由正极、负极分别与电解液匹配后的循环性能中，循环性能较差的一者决定的。材料的循环性能较差的原因主要有两点，第一点是晶体在循环过程中结构变化过快导致无法很好地完成嵌锂脱锂，第二点是因为活性物质与相应的电解液不能生成均匀致密的SEI膜，而导致电解液与活性物质发生副反应，消耗了部分电解液进而影响循环寿命。

原文链接：http://www.jxszl.com/hxycl/gfzcl/6495.html