【摘要】：锂离子电池由于其循环性能好、能量密度高、对环境不产生危害早已应用于生活中的各个领域。SiO_2负极材料由于其较高的理论比容量和较低的放电平台(0.1V)等优异性能备受关注。但是,SiO_2负极材料电导率较低,深度脱嵌锂的过程中会产生体积膨胀等一系列的原因造成SiO_2负极材料的首周库伦效率低、循环性能较差,极大地限制了SiO_2负极材料的应用。因此改性SiO_2负极材料,从而提高材料的电化学性能成为了目前研究的主要方向。本文主要通过埃洛石这一天然的纳米管状材料来制备出同样是纳米管状的SiO_2。并通过探索不同碳源在不同条件下包覆合成出SiO_2/C复合负极材料的电化学性能。在此基础上又按不同比例添加氧化石墨烯(GO)、碳纳米管(CNTs)为碳源的碳包覆层最终合成出二氧化硅/碳/石墨烯(SiO_2/C/G)、二氧化硅/碳/碳纳米管(SiO_2/C/CNTs)材料。论文又分别采用X射线衍射(XRD)测试、扫描电子显微镜(SEM)测试、透射电子显微镜(TEM)测试、红外测试、热重(TG)测试、充放电性能测试、电化学阻抗(EIS)测试、循环伏安(CV)测试等方法对材料进行表征,从而更直接的比较材料改性后的结果。

通过探索不同碳源在不同条件下包覆分析结果可知,当蔗糖为碳源在1:1的质量比下进行包覆,并且通过900°C高温在氩气氛围下进行煅烧时材料的性能可达到最佳状态。复合材料的首次充电比容量达911mAh/g,并且首周的库伦效率可以达到64%。比起SiO_2只有150m Ah/g的容量,复合材料的性能有了很大的提升。以蔗糖为碳源进行包覆合成SiO_2/C复合材料二氧化硅密度,再添加石墨烯进行改性,冷冻干燥后,再进行高温还原,复合材料的首次充电比容量可达841mAh/g。以SiO_2/C为前躯体,按不同的质量比加入碳纳米管进行搅拌,干燥,然后煅烧。所获得的材料首周充电比容量可以高到928mAh/g。通过在不同电流密度下对SiO_2/C/CNTs材料进行充放电测试二氧化硅密度,将材料连续的置于100mA/g、200mA/g、300mA/g、500mA/g、1000mA/g、1500mA/g电流下观测充电比容量依次为1041mAh/g、773mAh/g、678mAh/g、599mAh/g、504mAh/g、432mAh/g。经采用多巴胺为碳源,对纳米管状二氧化硅进行包覆。多巴胺裂解后的碳层可以包覆在SiO_2的表面,首周充放电比容量可达540mAh/g、947mAh/g,循环50周以后,材料可以保持616m Ah/g、620mAh/g。综上所述,本实验利用纯天然的埃洛石作为前躯体制备出了纳米管状的二氧化硅,并且通过一系列碳包覆及包覆条件的探索,最终制备出来电化学性能优异的SiO_2/C复合负极材料。