摘要
锂离子电池(LIBs)作为电子产品的主要供电电源，具有高的能量密度、良好的离子传输能力和长的循环寿命等特点，在电动汽车商业化领域也发挥着越来越重要的作用。其中，负极材料无疑是至关重要的一环，硅(Si)在常温下的理论容量为3579mAhg-1，被认为是最有希望的锂离子电池负极材料。然而，在电化学循环过程中，硅负极会发生剧烈的体积膨胀，使得电极表面的SEI膜反复发生破裂与重新生成，消耗过多的电解液和锂离子，从而导致容量迅速衰减。本文采用脱合金法和真空蒸馏法制备了形貌可控的多孔硅、多孔硅铜和硅碳负极材料等，并系统地研究了时间、孔隙率对材料微观结构和电化学性能的影响。 (1)通过化学脱合金法从铝硅合金中制备了多孔硅材料，研究了孔隙率和电化学性能的关系。将不同比例的铝硅合金原料和盐酸进行反应，以此控制得到的多孔硅的孔隙率。多孔结构可以在一定程度上抑制硅的体积膨胀，避免容量急剧的衰减。通过对比不同含量的孔径分布，发现孔隙率过大会导致原材料的球形结构发生破碎，而过小则无法发挥多孔结构的作用。只有含量在一定的范围时才能得到最好的性能，这为利用多孔结构来制备硅基负极材料提供了一个参考的方向。 (2)通过化学脱合金法从铝硅铜合金中制备了多孔硅铜材料，并研究了时间、孔隙率对首圈库伦效率和循环稳定性的影响。将金属铜元素添加进多孔硅，以期可以改善硅负极的导电性和循环稳定性。铜不仅导电性良好，且具有一定的韧性，可以在锂化/脱锂化时保持多孔结构的稳定。经过对比发现硅铜负极的长循环性能得到大幅度的提升，同时倍率性能也相当优异。此外发现铜元素可以提高首次充放电的库伦效率。 (3)通过真空蒸馏法从煤焦油沥青和镁硅合金中一步制备了硅碳负极材料，省去了湿化学法的环境污染。真空蒸馏法是一种利用不同元素沸点不同，在高温下分离多种元素的技术，镁硅合金在一定温度下，沸点低的镁元素会从合金中脱离出来，留下了具有多孔结构的硅。而沥青在高温管式炉中可以裂解成碳材料，是一种低廉、来源丰富的碳源材料。将这两个过程结合成一步，在一次高温过程中同时得到多孔硅和碳包覆层。特别地，镁元素在高温还会对碳进行催化作用，得到石墨化程度更高的碳层，制备得到的硅碳负极具有良好的储锂性能。
NETL