摘要
目前，商业化锂离子电池的常用负极材料为石墨。近年来，随着社会和经济的高速发展，人们对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。而高端石墨的质量比容量已经达到360-365mAh/g，非常接近其理论质量比容量372mAh/g，很难再有较大的提升空间。所以，硅材料由于其更高的理论质量比容量(室温3580mAh/g)而成为极具潜力的下一代高能量密度负极材料。 经过多年的发展，目前商业化程度较高的硅基负极材料主要为碳包覆氧化亚硅材料和纳米硅碳材料。本论文则主要研究了不同含量碳包覆、不同颗粒尺寸和不同导电添加剂对氧化亚硅/碳/石墨复合负极材料电化学性能的影响。 将四种不同碳包覆量的氧化亚硅单体(5wt％、10wt％、15wt％、35wt％)分别混合石墨得到质量比容量约为600mAh/g的氧化亚硅/碳/石墨复合材料，发现15wt％对应的复合材料具有最优的电化学性能。分析表明15wt％对应复合材料的离子电导较小，使得对应电池的极化和阻抗较小，从而提升了电池的循环稳定性。电池拆解后发现15wt％对应电极表面的SEI更少，且更加平整，认为这是造成电池阻抗较小的微观原因之一。 将三种不同颗粒尺寸(2μm、5μm和10μm)的碳包覆氧化亚硅分别混合石墨得到质量比容量约为600mAh/g的硅基复合材料，发现2μm对应复合材料的电化学性能最优。可以确定2μm对应复合材料的电子电导较小是对应电池的阻抗和极化较小的原因之一，但离子电导的影响尚不能确定。电池拆解后的分析结果表明，除电极表面SEI生长情况的优势外，2μm所对应电极的膨胀也较小，说明小颗粒可以更好地释放硅在脱嵌锂过程中体积变化所产生的应力，保护SEI不会反复地破裂和生长，从而提高电极的循环稳定性。 将市面上常见的几种导电添加剂加入氧化亚硅/碳/石墨复合材料制备成扣式半电池的负极，讨论对应电池电化学性能的差异，并从极化、阻抗、电极表面SEI和电极膨胀等方面解释了产生差异的原因。对更深层次的原因如导电添加剂的形貌特点、分散性、导电性、碳的结晶度、表面的官能团等也进行了一些讨论，但仍有较大的研究空间。如果将导电添加剂按形貌特点分为点、线、面三类，其对应半电池电化学循环性能由优到劣的次序为科琴黑＞乙炔黑＞Super-P，单壁碳纳米管＞多壁碳纳米管＞气相生长碳纤维，石墨烯＞KS-6。 在硅基负极材料的产业化推进方面，已经开发出了可以批量生产和销售的碳包覆氧化亚硅材料和纳米硅碳材料，并且其综合性能与大部分竞争对手相比均具有一定优势。
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