摘要
随着电动汽车和大型储能设施的迅速发展，对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。而目前的商业负极以石墨为主，其有限的理论比容量(372mAh·g-1)已无法满足锂离子电池高能量密度的需求。SiOx具有较高的比容量(～2000 mAh·g-1)和较低的成本，被认为是最有希望替代石墨的负极材料之一。但SiOx在充放电过程中的体积变化较大，会导致颗粒粉化，活性物质与集流体分离，令容量快速衰减，同时自身较低的电导率不利于Li+和电子的传输，致使其实际应用仍面临巨大挑战。本文以SiOx为原料，通过与导电性优异的碳材料复合、碳包覆或元素掺杂等方法,制备了 SiOx基系列复合材料，并研究了其储锂性能。主要研究内容及结果如下: (1)通过球磨、液相包覆和高温煅烧结合的方式制备了 C、N、P共掺杂的SiOx复合材料,并主要研究了植酸(P源)的添加量对SiOx/G@CNP复合材料电化学性能的影响。合适的P掺杂量不仅可以提升材料的导电性，还可以提升材料中吡啶N的含量，从而提高材料的电化学性能。当植酸添加量为SiOx/G的20 wt.％时，制备的SiOx/G@CNP-2复合材料展示了优异的倍率性能和循环性能，在5 Ag-1的大电流密度下的充电比容量为370 mAh·g1，在0.2 A·g-1下循环150圈后可逆比容量为751.7 mAh·g-1。 (2)将SiOx、鳞片石墨与三聚氰胺混合球磨煅烧，之后与氧化石墨烯和碳纳米管复合，最后进行沥青包覆制备了结构致密的N-SiOx/C@C复合材料。多组分碳材料结构有利于克服SiOx负极的缺点，特别是有利于形成稳定的固体电解质界面，保持电极材料的结构完整性，并且提高电极的导电性。所制得的N-SiOx/C@C负极表现出高可逆容量(980.2 mAh·g-1)、出色的循环稳定性(0.5 A·g-1下循环500次的容量保持率约为70％)和优异的倍率性能(在5 A·g-1的高倍率下具有491.9mAh·g-1的高比容量)。 (3)将SiOx与高电导率的ECP-600JD复合后，再以沥青制备刚性碳涂层，之后采用聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯亚胺(PEI)和碳纳米管(CNTs)在SiOx/E@C表面形成一层高导电的柔性包覆层(PVA/PEI/CNTs)。PVA/PEI/CNTs界面维持了活性物质颗粒在循环过程中的结构稳定，CNTs加强了颗粒之间的电接触，增强了 Li+和电子的传输能力。与无柔性包覆层的SiOx/E@C相比，该复合材料在0.5 A·g-1下循环700圈后，容量保持率为64.23％,提高了 16.37％,并且在5 A·g-1的电流密度下能提供407.1 mAh·g-1的容量。
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