鋰離子電池多孔矽負極材料的綠色製備

《鋰離子電池多孔矽負極材料的綠色製備》是依託同濟大學，由包志豪擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鋰離子電池多孔矽負極材料的綠色製備
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：包志豪
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

利用超低溫（～500 C）鎂熱還原法大量綠色製備自支撐的、摻雜/非摻雜的多孔矽材料；探索和研究鎂熱反應所涉及的動力學過程；通過反應參數（如時間和溫度）的調節來調控多孔矽材料的微結構；利用化學鍍方法對多孔矽表面實現金屬 （如鎳和銅）包覆；研究該多孔矽材料的嵌/脫鋰特性和性能退化機制，揭示多孔矽微結構、摻雜及其包覆層對材料電化學性能的影響規律，最終獲得改善多孔矽負極材料的有效方法，為研製和開發高性能鋰離子電池負極材料提供實驗基礎。

結題摘要

本項目針對鋰離子電池高比容量負極材料——矽在充放電過程中體積變化較大，導致電極結構不穩，影響其循環穩定性等問題，提出和實現了通過鎂熱還原氧化矽結合酸腐蝕製備出多孔矽用於高性能鋰離子電池負極材料。這主要是因為多孔矽材料中的孔結構能容納嵌鋰過程中的體積膨脹，減小應力效應；也有利於離子擴散，提高矽電極材料的倍率性能。同時，實現了矽材料的納米化，提高活性材料的利用率。最終改善了矽材料整體電化學性能。在四年的研究中，取得以下主要進展：（1）以稻殼中獲得的納米二氧化矽為反應物，通過在650oC的鎂熱還原反應，成功製備了多孔矽材料，從而獲得了一種可持續製備用於鋰離子電池的多孔矽負極材料的方法；（2）以一氧化矽為反應物，進一步降低鎂熱還原反應溫度至500oC，獲得多孔矽材料，並通過控制反應溫度和時間實現了對多孔矽孔結構的調控。進一步討論了多孔矽材料中微結構對電化學性能的影響；（3）針對矽負極材料中的體積效應導致循環性能差的問題，設計和實現了對多孔矽顆粒碳的整體包覆，從而提高了多孔矽材料的循環性能；（4）將鎂熱還原反應推廣至石墨烯材料的合成，從而獲得了綠色製備石墨烯的方法。並且，獲得的石墨烯材料具有較好的儲鋰性能。項目從總體來說，實現了多孔矽材料的鎂熱還原法製備，揭示了微結構和碳包覆對多孔矽材料電化學性能的影響規律，獲得了改善多孔矽負極材料有效方法，為研製和開發高性能鋰離子電池負極材料提供實驗基礎。 研製的整體包覆碳層的多孔矽負極材料在1A/g的比電流下經200次循環後能保持1639 mAh/g的比容量。實現了項目的預定目標：在較大的比電流下，經50次循環後能保持1500 mAh/g的比容量。在項目執行過程中共發表6篇和接受待發表1篇SCI論文，其中包括Nano Research，Journal of Materials Chemistry A, Chemical Communications, Electrochimica Acta等雜誌論文。在項目執行期間，授權和申請國內發明專利各1項。滿足項目的結題要求。