锂离子二次电池硅基及锡基复合负极的制备和研究

123456aa · 发表于 2022-4-19 20:36:28

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雅宝题库解析：
目前，商业化锂离子电池负极石墨类材料由于受其理论比容量的限制，很难通过改进电池制备工艺使容量性能得到突破性提高，因此迫切需要研究新型锂离子电池负极材料。其中，硅基和锡基负极材料因其高的理论比容量而有望成为新型负极材料。硅基和锡基活性材料在嵌脱锂过程中发生很大的体积变化，进而引起活性材料的应力开裂、粉化甚至脱落，成为限制其实用化的主要因素。本论文从改变传统电极结构入手，制备了铜镍纳米柱状集流体，通过在其上负载硅或锡活性材料得到硅基复合负极和锡基复合负极，以缓冲充放电过程中的体积变化来改善该类材料的电化学性能。本论文首先在含二价铜离子和镍离子的电解液中，采用恒电位沉积技术在铜箔表面制备了铜镍纳米柱状集流体，通过XRD、SEM和EDS等材料表征方法研究了所制备集流体的结构、形貌及成份。集流体制备工艺确定后，利用磁控溅射方法在所制备的纳米集流体上沉积了一层硅薄膜，得到硅基复合负极。SEM结果表明，由于基底纳米柱的作用，沉积的硅薄膜在纳米尺度上呈片状分布，通过控制溅射时间可以调控片与片之间的间隙；电化学性能测试表明，硅基复合负极由于基底镍元素的催化作用使得SEI膜（Solid Electrolyte Interface，固体电解质界面膜）在充放电循环过程中可逆形成和分解；溅射时间为1h样品与在平面铜箔上溅射同样时间制备的样品相比，其循环性能的到明显的改善。同时实验中利用电沉积技术在制备的纳米柱状集流体上沉积了活性材料锡，得到锡基复合负极。锡层呈小球状锡分布，有较大的比表面积、同时与基底结合强；恒流充放电和倍率充放电测试表明，制备的锡基复合负极性能优良。硅基和锡基复合负极的电化学性能表明，通过纳米柱状集流体可以很好地缓解硅类和锡类活性材料在充放电过程中的体积效应，进而提高了硅基和锡基复合负极的电化学性能。另外，实验中还探讨了在有机电解液体系中制备硅基复合负极。由于在有机体系中电沉积硅，对电解液和制备环境要求太高，所以在非严格条件下沉积出来的硅薄膜存在严重的氧化，且制备的硅薄膜开裂严重，难以用作电极材料。

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