摘要
随着社会的不断发展，各种产业对于能源的需求越来越大，但是地球上的化石能源是有限的，能够开采使用的能源越来越少，因此寻求新的可再生的能源对人类发展极为重要。目前，太阳能、潮汐能等可再生能源被认为是可以替代化石能源的能源之一，但是这些可再生能源都有着间断性、不稳定供能的问题，容易被环境因素所影响。针对这些问题，电化学储能方案变得尤为重要。锂离子电池是一种使用相当广泛的电池，其有着高能量密度、循环寿命长、无记忆效应等优点，但是目前的锂离子电池容量不能满足市场的使用需求，因此研究高性能锂离子电池负极材料具有重要的意义。硅基材料有着极高的理论比容量，因此硅基材料被认为是最具有前途的负极材料之一，但是硅基材料也有着不可忽视的缺点，首先硅作为半导体材料其导电性较差，其次硅与锂离子合金化/去合金化过程中会有着庞大的体积变化，这会导致电池容量急速下降，大大减少循环寿命。与此同时，太阳能光伏产业的迅速发展产生了大量晶硅片切割废料，本论文基于废料硅高价值利用的基础上，采用硬模板法制备蛋黄壳结构，用于改善硅材料在充放电过程的体积膨胀问题，进而提升材料整体的电化学性能，具体内容如下： （1）提出了使用St?ber法制备用于牺牲的SiO2硬模板，并通过水热反应在材料外层包覆均匀的碳层，最终通过氢氟酸的刻蚀，成功制备了硅碳蛋黄壳结构负极材料。制备出的材料呈现球状结构，内部呈现以硅为内核，碳层为壳层，中间具有空心层的蛋黄壳结构。该材料表现出较高的电化学性能，在0.1A/g的电流密度下材料表现出2114.82mAh/g的首圈放电容量，首次库仑效率为46.7%，循环100圈后依旧保持着592mAh/g的可逆容量。根据对比，当刻蚀时间过长时会有一定的容量损失，这归因于氢氟酸对内部硅核的刻蚀作用。该方案提供了一种硬模板的制备方案，为解决硅在充放电过程中因体积膨胀导致容量衰减的问题提供了一种有效的解决方法。 （2）提出了氯化铝与氨水不完全反应，生成氢氧化铝后高温脱水生成氧化铝硬模板的方法，外层碳层使用水热法以葡萄糖为碳源制备外层碳层，刻蚀用酸也换成对硅基本无损伤的盐酸，成功制备了硅碳蛋黄壳结构复合材料，表征结果表明材料具有蛋黄壳结构。该复合材料有着极佳的电化学性能，根据电化学测试，这种复合材料在0.1A/g的电流密度下具有1962mAh/g的首圈放电容量，首次库仑效率也高达71%,在经过100次循环后，依旧保持着836mAh/g的可逆容量，该方案优化了方案一使用的药品以及刻蚀用酸，使用了更为便宜的实验药品以及对废料硅几乎无损伤的盐酸。此方案提高了材料的整体价值，为废料硅制备锂离子电池负极材料提供了一种简单的处理方式。 （3）提出以氯化钙与碳酸钠反应生成碳酸钙硬模板牺牲层，并使用水热法合成外层碳层，最终使用盐酸刻蚀后成功制备了蛋黄壳硅碳复合材料。材料通过物化表征论证了材料的结构组成，证明了材料中蛋黄壳结构的存在。将材料进行了电化学测试，这种材料有着优秀的电化学性能，在0.1A/g的电流密度下有着2973mAh/g的首圈容量，在循环100圈后依旧保持着713mAh/g的可逆容量，这个方案提供了一种简单易操作的硬模板牺牲层的制备方案。
NETL