《三維巢型m-Si@G複合負極材料的結構設計與性能研究》是依託江蘇大學，由蘇明如擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：三維巢型m-Si@G複合負極材料的結構設計與性能研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：蘇明如
- 依託單位：江蘇大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
矽負極具有最高理論比容量，但是其巨大的體積效應和較低的電子電導率制約了其在鋰離子電池中的有效套用。本項目提出了一種具有三維巢型結構的鋰離子電池用m-Si@G複合材料。該複合負極材料以具有高電導率和穩定結構的3D石墨烯、CNTs等碳材料作為基體，分散地容納高容量納米矽，構建穩定的三維巢型結構，使矽的體積效應得到有效抑制。這樣既保證了矽顆粒在基體中的獨立分散性，又可防止矽的膨脹應力破壞基體，從而得到結構穩定的電極。項目將結合表面修飾技術、水熱反應-離子交換技術來製備該複合負極材料；重點研究三維巢型結構形成的反應機理與動力學，揭示合成條件對材料理化性能的影響規律，找到具有高容量與優異循環性能複合負極的製備工藝；研究鋰離子在電極中的傳輸行為與規律，闡明其儲能機理，建立該新型負極才鋰離子電池體系中的工作模型。本項目的開展可為設計高容量、高倍率以及長循環壽命的新型鋰離子電池提供新的思路和科學依據。
結題摘要
矽負極由於具有最高理論比容量（Li4.4Si，即Li22Si5，4200 mAh g–1）、合適的嵌/脫鋰電壓平台、安全性能優於石墨，且成本低、環境友好等優點，成為國內外研究的主流新型負極材料之一。然而，由於矽材料在與鋰進行合金化形成鋰矽化合物的過程中，存在巨大的體積變化（約300%）和較低的電子電導率，限制了其進一步套用。本研究從結構設計、表面修飾和自組裝的角度出發，採用自製的具有獨特3D結構的石墨烯來製備性能優異的矽@石墨烯複合負極材料。 首先，以天然鱗片石墨為原料，採用改進hummers法成功製備了氧化石墨，所製備氧化石墨為團簇狀，其表面含有大量的含氧官能團。然後在此基礎上，採用水熱反應–相交換技術實現了氧化石墨的有效還原，所製備石墨烯具有3D結構，存在大量的孔洞和褶皺，並具有一定的電化學活性。 其次，採用液相接枝技術，首先通過piranha溶液的酸化清洗，然後利用APTES作為矽烷耦合劑，對納米矽進行氨基化處理。氨基化處理很好地保持了納米矽的晶體結構，並且成功在其表面嫁接了親水性官能團，具有更好的分散性能，同時更有利於石墨烯進行複合。 再次，採用水熱反應–相交換技術，實現納米矽和石墨烯的自組裝，成功製備三維網路結構m–Si@G複合材料，並考察了複合比例、水熱反應溫度、時間以及矽源等參數對材料性能的影響。在最佳化條件下，首次充電比容量為1264.9 mAh g–1，經過50次循環後，容量保持在1195.1 mAh g–1，首次庫侖效率為70.81%。良好的三維網路結構，為矽的體積效應提供了緩衝空間，提高了材料的導電能力，m–Si@G複合材料的電化學性能得到明顯提升。 最後，對三維網路m–Si@G複合材料的電極動力學過程進行研究。結果表明：電極穩定性得到增強，電荷轉移阻抗下降，電池性能得到提升。分析了矽材料的失效機理，初步建立了m–Si@G複合材料的工作模型。三維網路結構使得材料的結構穩定性大大增強，不僅可以抑制矽的體積效應，同時矽顆粒與顆粒之間有石墨烯作為緩衝，始終提供良好的導電網路，並維持與集流體良好的電接觸，提升材料性能。
