摘要
近年来，锂离子电池因其高能量密度、长寿命和良好的循环性能而受到广泛的关注。其中，负极材料是决定锂离子电池性能的关键因素之一。然而，传统的石墨负极材料有着较低的容量，迫切需要寻找新的替代材料来提高电池性能。硅因其高的理论容量(4200 mAh·g-1)而备受研究者关注，有望成为下一代新型负极材料。然而，硅负极在嵌锂与脱锂过程中会发生巨大的体积变化(大于300%)，所产生的机械应力会导致材料结构发生破坏；同时硅材料本身的导电性较差。这些问题会严重影响在实际使用过程中硅材料的电化学性能。因此，为了获得大容量与高稳定性的硅基负极材料，需要对其进行结构设计与组成优化。 本论文以廉价易得的商用硅铝合金为起始原料，通过化学刻蚀得到三维多孔结构的硅材料，进一步通过简单的液相沉积的方法制备得到不同种类双金属掺杂的多孔硅材料。研究并探讨了材料的组成与微观结构，测试分析了所制备材料的电化学储锂性能。以下为本文获得的主要研究结果。 (1)使用廉价的硅铝合金前驱体，通过简单的化学沉积方法制备了新型双金属(Sn/Ni)掺杂多孔硅微球(pSi@SnNi)。pSi@SnNi复合材料的三维多孔结构可以缓冲硅在嵌锂过程中的巨大体积膨胀，增加储锂活性位点。双金属(Sn/Ni)的掺杂可以提高硅的电子导电性，改进多孔硅微球的结构稳定性。通过改变反应物浓度，可以获得不同掺杂金属含量的pSi@SnNi复合材料。由于其独特的组成和微观结构，具有适当Sn/Ni含量的pSi@SnNi电极材料显示了较大的可逆储锂容量(100 mA·g-1电流密度下为 2651.7 mAh·g-1)、较高的电化学循环稳定性(1 A·g-1电流密度下 400次循环后容量为 1139 mAh·g-1)和优异的倍率性能(2.5 A·g-1电流密度下为容量 1235.8 mAh·g-1)。 (2)以硅铝合金为原料，通过化学置换的方法制备得到了双金属(Cu/Sn)掺杂的微米级多孔硅材料。通过Si颗粒与Cu2+/SnO32-发生化学置换反应，使得Cu/Sn金属成功沉积/掺杂到多孔Si微球中。三维多孔结构可以缓解硅材料在循环过程中发生的巨大体积变化，同时使电解液充分浸润，增加储锂活性位点；双金属Cu、Sn掺杂可以有效地改善材料的储锂容量和锂离子扩散速率，同时增强其电化学循环稳定性。与Cu或Sn单金属掺杂的样品相比，双金属掺杂的pSi@CuSn电极材料显示了较大的可逆储锂容量(100 mA·g-1电流密度下为 2699.3 mAh·g-1)、较高的电化学循环稳定性(1 A·g-1电流密度下 400次循环后容量为 1205.6 mAh·g-1) 和优异的倍率性能(2.5 A·g-1电流密度下容量为 1194.7 mAh·g-1)。
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