文档介绍：硕士学位论文
硅/石墨烯纳米复合材料作为锂离子电池负极
材料的研究
THE STUDY OF SI/GRAPHENE POSITE
AS ANODE MATERIALS FOR LITHIUM-ION
BATTERIES
李国瑞
哈尔滨工业大学
2012 年 6 月
国内图书分类号: 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开
工学硕士学位论文
硅/石墨烯纳米复合材料作为锂离子电池负极
材料的研究
硕士研究生: 李国瑞
导师: 潘钦敏教授
申请学位: 工学硕士
学科: 化学工程与技术
所在单位: 化工学院
答辩日期: 2012 年 6 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index:
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Dissertation for the Master Degree in Engineering
THE STUDY OF SI/GRAPHENE POSITE
AS ANODE MATERIALS FOR LITHIUM-ION
BATTERIES
Candidate: Li GuoRui
Supervisor: Prof. Pan Qin Min
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Chemical Engineering and Technology
Affiliation: School of Chemical Engineering and
Technology
Date of Defence: June 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
硅材料具有最高的理论比容量(4200mAh·g-1),有望替代传统石墨负极,从而
成为锂离子电池的新型负极材料。但是硅在充放电过程中会发生巨大的体积膨胀
(>300%),导致活性物质粉化脱落,硅颗粒间的电接触下降,容量迅速衰减,从而
阻止了其商业化应用。本课题通过利用石墨烯的高比表面积、优异导电性和强机
械韧性,有效提高了硅负极的循环性能。分别研究了由静电自组装法得到的 Si/G
复合材料和利用抗坏血酸(VC)还原、冷冻干燥制备得到的三维多孔结构 Si/G 复合
材料的结构组成和电化学性能。
静电自组装法制备的 Si/G 复合材料,通过 XRD、SEM、TEM 等测试证明了
纳米 Si 粒子和石墨烯之间发生有效复合,且 TG 测试表明石墨烯在 Si/G 复合材料
中的含量为 25%。相比纯 Si 负极,该 Si/G 复合材料的电化学性能明显提高,在
200mA·g-1 的电流密度下首次脱锂容量 1061mAh·g-1,50 次循环后可逆容量保持在
707mAh·g-1,而纯 Si 负极仅有 62mAh·g-1。其原因在于石墨烯作为导电网络将纳米
Si 颗粒相互连接,阻止了 Si 颗粒的团聚,增强了 Si 颗粒间的电接触,提高了电子
导电性。
利用 VC 还原和冷冻干燥制备出了三维多孔结构的 Si/G 复合材料。SEM、TEM
测试表明该材料中纳米 Si 颗粒均匀分散于石墨烯片层,且负载着纳米 Si 粒子的石
墨烯片层相互堆叠形成三维多孔结构,TG 曲线表明石墨烯的含量为 %。电化
学测试结果表明该材料具有良好的循环性能,50 次循环后可逆容量保持在
756mAh·g-1。这是因为载有纳米 Si 粒子的石墨烯片层自组装时形成的孔隙能够有
效缓解硅在脱嵌锂过程中的体积膨胀,并利于电解液的浸润、锂离子的扩散及电
子的快速传导。
关键词: 锂离子电池;纳米硅;石墨烯;静电自组装;三维多孔结构
I
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Owing to silicon exhibits the highest known theoretical specific capacity
(4200mAh·g-1), which is expected to replace th