摘要
随着传统能源的日渐枯竭和环境污染的加剧，人们开始寻求新的可再生清洁能源来代替传统的石化能源，但缺乏高效便捷的储能装置与其配合使用，导致可再生清洁能源的利用率较低。锂离子电池作为一种新兴的能源存储装置，被广泛地应用在我们的日常生活中。目前锂离子电池负极使用最多的材料是石墨（372mAh g-1），然而随着新能源汽车等新兴领域的发展，已不能满足人们的需求。因此，合理设计并开发高理论比容量和长循环稳定性的锂离子电池刻不容缓。SiO材料拥有较高的理论比容量（2600mAh g-1），并且在首次与锂反应时会生成锂硅酸盐和Li2O，缓解部分嵌锂时产生的应力。但SiO负极材料仍然存在初始库伦效率低、循环性能差以及本征导电率低的问题，限制了其在锂离子电池上的应用。为解决上述问题，以SiO作为锂离子电池负极材料，构造多孔结构、双相或多相复合材料，可以提高SiO基复合材料的储锂性能。本文研究了SiO基复合材料的微观形貌、物相组成以及结构对储锂性能的影响。主要研究内容如下： （1）通过将SiO与NaOH研磨混合并结合后续的热处理制备了多孔结构SiO，然后与水热法制备的碳球前驱体进行复合，制备了一种“类芝麻球”结构的碳球包覆多孔SiO复合材料（P-SiO/C）。多孔结构可以缓解嵌锂时产生的应力，提供锂离子的传输通道；表面的碳球可以增强材料的导电性，维持电极的结构稳定。初步研究了多孔SiO与碳球前驱体比例对复合材料电化学性能的影响。结果表明，当多孔SiO与碳球前驱体的质量比为5∶5时，复合材料拥有较好的循环稳定性，在1.0A g-1电流密度下循环650次后仍具有346.22mAh g-1可逆容量。此外，得益于“类芝麻球”的特殊结构设计，复合材料表现出较低的电荷转移电阻（Rct=193.5Ω）。 （2）以廉价的PVP为碳源，结合氯化钠占位法和后续的热处理，一步法制备了碳包覆SiO和二维碳纳米片复合材料。当质量比mSiO∶mPVP=0.2∶1.0时，制备的复合材料用作LIBs电池负极，表现出较优的电化学性能。在0.1A g-1的电流密度下循环100次后可逆容量为699.8mAh g-1，即使在1Ag-1的大电流下循环1000次后仍有431.8mAhg-1的可逆容量，展现了优异的循环稳定性。这得益于独特的结构设计，二维碳纳米片可以提供Li+的传输通道，加快Li+的传导速度，而SiO表面的碳壳在增加导电性的同时还可以抑制SiO颗粒的粉化和破碎，保持复合材料结构的稳定性。 （3）采用水热法在SiO表面原位生长Zn-MOF，结合后续高温热处理制备了氮掺杂碳和硫化锌包覆SiO复合材料（SiO/ZnS@NC）。氮掺杂碳层可以改善SiO材料的导电性，同时缓解部分嵌锂时的体积膨胀；利用SiO与ZnS两种材料的嵌锂电位不同，当一种材料嵌锂时，另一种材料可充当缓冲介质，以缓解体积膨胀，从而提高电极的结构稳定性。当SiO/ZnS@NC-1复合材料用作LIBs时，拥有较好的电化学性能，在1.0A g-1的电流密度下循环1000圈后可逆容量仍可保持748.26mAh g-1。此外，电化学阻抗谱图显示了其拥有更低的电荷转移电阻（Rct=62.08Ω），表明该结构在电化学性能上的优越性。
NETL