高性能锂离子电池SiO/C复合负极材料研究

以SiO为硅源,柠檬酸为碳源,通过高能球磨和高温热解制备了一种循环性能优异的锂离子电池SiO/C复合负极材料.采用X-射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）对复合材料的物相和形貌进行了表征.具有孔状结构的柠檬酸热解碳对纳米SiO不仅具有良好的包覆效果,也能有效缓冲电化学嵌脱锂过程中硅颗粒释放出来的体积变化.电化学性能测试表明,SiO/C复合负极材料电极循环100次后容量仍高达803.1mA.h/g,容量保持率为89%.     

硅/Ag/碳复合负极材料的制备、结构及其电化学性能研究

研究了银包覆和银-碳复合包覆对硅的结构和电化学性能的影响。采用XRD和TEM等手段分析了样品的结构和形貌,并采用恒电流充放电测试、循环伏安法和电化学阻抗法研究了改性处理前后硅负极的电化学性能。结果表明,硅/Ag/碳复合负极材料中,Ag纳米微粒以晶体的形式分布在硅颗粒的表面,一层无定形沥青炭包覆在硅/Ag复合颗粒的表面,这有利于提高硅颗粒的结构稳定性。电化学测试表明,与硅相比,硅/Ag/炭复合负极材料的电化学阻抗减小,电化学极化减弱,电化学反应的可逆性和循环寿命显著提高,第40次循环的比容量保持在390 m Ah g-1。     

新型蜂窝结构Si/Co3O4复合材料的研究

本文通过超声分散、水热生长和煅烧方法制备了新型蜂窝结构Si/Co3O4复合负极材料,在此基础上研究其复合结构与电化学性能的关系。采用X射线衍（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对复合材料的物相、微观形貌进行表征,并采用电化学手段对其性能进行测试。结果表明:硅纳米颗粒主要分布于Co3O4蜂窝孔洞结构的内层;相比于纯Si负极材料,蜂窝结构Si/Co3O4复合材料具有更好的结构稳定性、倍率性能和循环性能,首次放电比容量为1475 mAh g-1,第二次维持在851 mAh g-1,经过75 次循环后放电比容量仍有 802 mAh g-1,较第二次比容量损失率仅为0.17%/周,这主要是归因于硅纳米颗粒和Co3O4之间存的空隙为Si负极嵌锂过程中的体积膨胀提供了空间,有效缓冲Si负极的体积变化。     

锂离子电池负极硅碳纳米复合纤维的储锂性能

为了实现硅纳米颗粒与一维碳纳米纤维的高效复合,提高硅材料作为锂离子电池负极的电化学性能,通过同轴静电纺丝法构造了硅碳复合结构(Si/C-C)的一维纳米纤维作为锂离子电池的负极材料.通过SEM、TEM、XRD和电化学性能测试对其结构、形貌、成分和电化学性能等进行分析.结果表明:Si/C-C纳米复合纤维的平均直径为500~700 nm,硅含量为22%~33%;在100 m A/g的电流密度下,经100圈循环后其可逆容量维持在1 000 m Ah/g,表现出较佳的循环稳定性和较高的可逆比容量.研究表明,一维复合纳米纤维电化学性能的提升主要归因于硅碳复合结构中一维纳米纤维为硅提供了保护层,一方面有效抑制了硅的体积膨胀,另一方面提升了硅的电子导电性并有效缩短了离子迁移路径.     

氮掺杂碳包覆的蛋黄壳结构硅负极材料

采用间苯二酚-甲醛为碳源,三聚氰胺为氮源,以NaOH为蚀刻剂,成功合成氮掺杂碳包覆的蛋黄壳结构硅(Si@void@N-C)锂离子电池复合负极材料.对样品进行XRD、 SEM和X射线电子能谱,透射电子显微镜(TEM)和电化学测试等表征及测试.结果表明,成功合成了蛋黄壳结构的Si@void@N-C复合负极材料.同时,该复合材料具有优异的电化学性能,以0.1 A/g的电流密度进行充放电,首次容量可达1 282.3 mAh/g,经过100次循环后,其比容量仍高达994.2 mAh/g,其容量保持率为77.5%,表现出了良好的循环性能.Si@void@N-C材料中,氮掺杂的碳壳可以增加复合材料的导电性,同时,蛋黄壳结构可有效缓解硅的体积效应,有利于形成稳定的SEI膜,从而提高电池的循环稳定性.     

二次喷雾造粒法制备石榴结构硅碳负极材料

为进一步优化多孔类核壳结构硅碳负极材料的制备方法，通过“两步喷雾造粒、一步碳化成型”法制备出了具有石榴结构状的锂离子电池硅碳负极材料。采用X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）、扫描电子显微镜（scanning electron microsope, SEM）和热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）等方法对材料的物理性质进行了表征。为提升复合材料的导电性与结构稳定性，提升其充放电性能，将碳纳米管（canbon nano tube, CNT）导电剂与鳞片石墨与复合材料进行了复合，得到了Si@Pore-C/CNT/G@C复合材料。该材料在0.1 C的电流密度下，在50次充放电循环后具有高达95.6%的容量保持率，并且在经过97次较长循环后仍具有82.8%的容量保持率。所提出的制备方式简单高效，具有量产的潜力，无需使用酸碱刻蚀或其他牺牲模板，是一种绿色、高效的制备方案。     

累托石镁热还原制备Si/C复合材料及其电化学性能

以累托石为原料,通过镁热还原制备多孔单质硅,然后以葡萄糖为碳源进行热处理覆碳制备Si/C负极材料。采用XRD、BET、SEM、TG分析了镁热还原条件对材料结构的影响,利用电化学工作站和电池充放电测试系统考察了Si/C负极材料的电化学性能。研究表明,累托石镁热还原的多孔硅的孔容、平均孔径、硅含量对Si/C复合材料的电化学性能有重要影响。随着镁热还原过程中金属镁质量的增加,制备的Si/C负极材料的电化学性能先增加后降低,当累托石与金属镁质量比为1∶0. 4时,制备的复合材料电化学性能最佳,在电流密度为0. 1 A/g时,材料首圈比容量最高可达1 120 mAh/g,循环200圈比容量仍能保持555 mAh/g。     

用于锂离子电池负极的多孔硅材料制备

多孔硅具有大量孔洞,能有效缓解体积膨胀带来的压力,有望成为锂离子硅基负极材料的一个研究方向.采用光助电化学腐蚀、二次化学腐蚀制备高孔隙率n型多孔硅材料,通过优化后的光助电化学腐蚀,样品的孔径约为800～1 000nm,多孔层厚度(平均孔深)约为155μm,孔隙率约74%.二次腐蚀后,样品孔径增加到1.1μm,多孔层厚度减小到110μm,孔隙率增加到84%,表明二次腐蚀增加了样品的孔径和孔隙率.以二次腐蚀的多孔硅材料为负极的锂离子半电池在0.05C的恒流充放电循环测试下,循环20次后充放电比容量保持在188和198mAh/g,效率保持90%以上.实验结果表明,多孔硅锂电极比单晶硅锂电极具有更长的循环寿命,可有效提高锂电池的性能.     

锂离子电池三维多孔硅/银复合材料负极设计及性能

以商品单质硅为原料, 利用金属辅助化学刻蚀方法结合化学镀方法制备了三 维多孔硅/银复合负极材料, 采用X射线粉末衍射仪、场发射扫描电镜及比表面与孔隙度分析 仪对其组成、结构、比表面积及孔隙率进行研究, 随后对其电化学性能进行研究. 结果表明, 三 维多孔硅呈现狭缝型的介孔, 平均孔径宽度为 12.5 nm, 比表面积达到 6.083 m$^{2}$/g. 三维多孔硅/银复合材料在 420 mA/g 条件下恒流充放电, 首循环放电比容量 2 822 mA$\cdot$h/g, 首循环库仑效率 87.8%, 经过 50 个循环后容量仍保持有 832 mA$\cdot$h/g. 研究表明: 三维多孔结构和银包覆层可以缓解嵌锂/脱锂时硅巨大的体积效应; 银包覆层可以改善硅基负极材料的电化学性能.     

锂离子电池负极中一步球磨硅碳材料的应用

近年来,硅基类材料的高理论比容量使其在能源存储尤其锂离子电池电极材料的应用受到了广泛的关注。通过简单的高能球磨法制备了硅碳(Si/C)复合材料,同时对比了采用不同硅碳比例进行球磨后的复合材料的形貌及性能情况。球磨Si/C复合材料在作为锂离子电池负极时展现了较好的电化学性能,与碳的复合有效抑制了合金硅材料在充放电过程中由于体积膨胀导致的容量快速衰减,同时,碳硅的混合比例对其电化学性能也起到了较大的影响。通过简单一步球磨方法和调控硅碳比例制备高循环稳定性和高容量的改进方式为硅基类材料在锂离子电池中的实际应用拓展了更大的空间。     

硅/碳复合材料的高温热解法制备及其电化学性能

采用高温热解方法成功地合成了高容量硅/碳复合负极材料.通过X射线衍射分析、热重分析、扫描电子显微镜观察、透射电子显微镜观察、恒电流充放电测试、循环伏安法等手段研究了复合材料的性能.结果表明：硅/碳复合材料由Si、C以及少量SiO2组成;硅/碳复合材料中碳的质量分数约在39%左右;经电化学性能测试,在电流0.2 mA下,该硅/碳复合材料首次充电容量768 mAh·g-1,首次库仑效率75.6%,70次循环后可逆比容量仍为529 mAh·g-1,平均容量衰减率为0.44%.这些性能改善归因于硅/碳复合材料中碳的引进,硅表面存在的碳涂层提供了一个快速锂运输通道,降低了电池的阻抗并且充放电过程中稳定了电极的组成.     

真空合成锂离子电池LiFePO4/C正极材料及其电化学性能研究

以氢氧化锂为锂源,在真空条件下合成了锂离子电池正极材料LiFePO4.采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）对样品进行表征,并对其进行电化学交流阻抗（EIS）、循环伏安（CV）和恒流充放电等电化学性能测试,并与以碳酸锂为锂源制得的材料进行比较.结果表明：两种锂源在真空条件下合成的LiFePO4均具有单一的橄榄石相,而以氢氧化锂为锂源所得的材料粒度更小且分布更均匀,比容量更高.此外,以氢氧化锂为锂源时,通过在原料预烧后的前驱体中引入碳源得到的LiFePO4/C复合正极材料在0.2 C和1.0 C时的首次放电容量分别为138.4 mAh/g和126.8mAh/g,循环30次后仍能分别释放出135.6 mAh/g和123.9 mAh/g的可逆容量.     

High-performance lithium–sulfur battery based on porous N-rich g-C3N4 nan-otubes via a self-template method

The commercial development of lithium–sulfur batteries (Li–S) is severely limited by the shuttle effect of lithium polysulfides (LPSs) and the non-conductivity of sulfur. Herein, porous g-C3N4 nanotubes (PCNNTs) are synthesized via a self-template method and util-ized as an efficient sulfur host material. The one-dimensional PCNNTs have a high specific surface area (143.47 m2·g?1) and an abundance of macro-/mesopores, which could achieve a high sulfur loading rate of 74.7wt%. A Li–S battery bearing the PCNNTs/S composite as a cathode displays a low capacity decay of 0.021% per cycle over 800 cycles at 0.5 C with an initial capacity of 704.8 mAh·g?1. PCNNTs with a tubular structure could alleviate the volume expansion caused by sulfur and lithium sulfide during charge/discharge cycling. High N contents could greatly enhance the adsorption capacity of the carbon nitride for LPSs. These synergistic effects contribute to the excellent cycling stability and rate performance of the PCNNTs/S composite electrode.     

收集烟头制备锂离子电池负极材料

研究了一种新型的垃圾箱来收集废旧烟头,并将收集的烟头通过一步煅烧的方法制得多孔的无定形炭,将其作锂离子电池负极材料.对所得的材料进行X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼(Raman)和投射扫描电子显微镜(TEM)表征.结果表明,该材料在0.5C的电流密度下,在循环100圈后其容量能够保持在240(mA·h)/g,具有实际应用的潜质.该研究有希望解决废弃烟头的回收利用问题.     

不同载硅量对Li2FeSiO4/C材料电性能的影响

以多壁纳米碳管和Si(OC2H5)4为原料,采用液相法合成包覆了SiO2的多壁碳纳米管(MWCNTs@SiO2),通过调节Si(OC2H5)4的加入量,制备出不同载硅量的前驱体MWCNTs@SiO2,并以此种前驱物合成硅酸铁锂Li2FeSiO4/C材料.采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、恒流充放电对Li2FeSiO4/C材料进行了表征及电化学性能测试,实验结果表明载硅量为35.72%的MWCNTs@SiO2前驱体合成的Li2FeSiO4/C材料颗粒大小一致,在0.1C电流密度下循环50圈后获得180 mAh·g－1的稳定放电比容量,具有优良的电化学性能.     

多孔硅/高氯酸钠复合材料的合成与爆炸特性研究

本文采用电化学阳极氧化法制备多孔硅,考察不同氧化条件下多孔硅孔隙率及膜厚的变化情况,研究电化学阳极氧化工艺条件、高氯酸钠溶液浓度以及贮存方法等因素对多孔硅复合材料爆炸反应的影响。结果表明,多孔硅孔隙率随电流密度增大而增大,当电流达到50mA·cm~（-2）以上时略有降低,孔隙率随氧化时间增大而先增大后减小,且氧化时间为30min时最大,孔隙率随氢氟酸浓度增大反而减小;多孔硅膜厚随时间增大而增大。SEM分析表明,多孔硅表面产生裂缝,内部形成硅柱。在电流密度小、氧化时间短的条件下形成的多孔硅复合材料不易爆炸,当NaClO4甲醇溶液质量浓度大于0.098g·mL~（-1）时发生强烈爆炸,将多孔硅复合材料用乙醇浸泡是最为理想的贮存方法。     

新型锂电池正极材料多硫化碳炔的研究

为克服锂/硫电池的正极材料单质硫的导电性差、放电产物的部分溶解导致电池性能下降等问题,设计并制备了一种新型正极材料多硫化碳炔。通过核磁共振、拉曼光谱、X-射线及SEM等手段对其进行了研究,并得到其形态及结构信息,证明材料具有“主链导电、侧链储能”的结构。通过充放电性能测试及循环伏安测试对其电化学性能进行了研究,结果表明该材料具有较高的充放电效率与良好的循环性能,0.4mA/cm²的放电条件下60次循环后比容量可以达到400mAh/g,充放电效率接近100%。     

S/石墨烯复合材料的水热法制备及其电化学性能研究

采用水热法制备了S/石墨烯复合材料,并利用XRD,SEM,TEM等手段考察了其微观结构及形貌特征,发现石墨烯呈现多层状,与硫复合后能将其充分包覆。以复合材料为正极、锂为负极组装成扣式电池进行CV,EIS及充放电等电化学性能测试。结果表明:添加石墨烯后硫正极的可逆性明显改善,多次充放电后电池内阻有所增加,在0.3mA/cm2电流密度下放电,首次放电比容量为1 145mAh/g,经30次充放电循环后仍可稳定在500mAh/g。     

共轭微孔聚合物管状硬炭的氮掺杂与储锂性能

通过选择不同单体合成了共轭微孔聚合物(CMP)和含氮共轭微孔聚合物(NCMP),并分别将其高温热解制备管状硬炭(THC)和氮掺杂管状硬炭(NTHC).通过SEM、TEM和BET对两种管状材料的形貌结构进行了表征,THC和NTHC材料具有相似的形貌和比表面积.进一步采用恒电流充放电法对THC和NTHC进行电化学性能分析,并与普通碳纳米管(CNT)的电化学性能相比较.结果表明,NTHC储锂性能最好,在0.1 A/g时,NTHC的可逆储锂容量高达541.2 mAh/g,在0.6 A/g电流密度下,其比容量在经过500次循环后仍高达458 mAh/g.