锂离子电池负极硅石墨碳材料的改性及应用分析.pdf

Classified Index: TM912.9 U.D.C: 621.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON MODIFICATION AND APPLICATION OF THE SILICON/GRAPHITE/CARBON ANODE MATERIAL FOR LITHIUM ION BATTERIES Candidate ： Li Weiwei Supervisor ： Prof. Yin Geping Academic Degree Applied for ： Master of Engineering Speciality ： Biomedical Engineering Affiliation ： School of Life Science and Technology Date of Defence ： June, 2013 Degree-Conferring-Institution ： Harbin Institute of Technology 摘要 摘 要 硅材料由于天然的高容量优势，在作为锂离子电池的负极材料时能够有效的 提高锂离子电池的体积能量密度，能够很好的适应当今市场对大容量锂离子电池 的需求。但是严重的体积效应，使得材料在循环过程中容量衰减过快，所以硅材 料很难应用到实际生产中。为了能够有效的限制硅材料的体积效应，本文从硅碳 复合材料的改性以及极板制备工艺入手，同时优化了全电池化成工艺，以推进硅 材料的实际应用进程。 通过研究不同种类石墨对硅/石墨/碳材料性能的影响得到 Cl-A 人造石墨制备 的硅/石墨/碳复合材料，首次脱锂容量能达到 1003 mAh/g ，50 次循环容量保持率 为 82.6%；研究硅源粒径对硅/石墨/碳材料性能的影响得到粒径小于 1 μm 的微米 级硅源制备的硅/石墨/碳复合材料，首次脱锂容量为799 mAh/g ，50 次循环容量保 持率为85.7%；另外沥青二次包覆发现，分批次包覆沥青热解碳，能够有效的提高 硅/石墨/碳复合材料的循环稳定性。 对硅/石墨/碳复合材料极板制备工艺研究发现，极片在200 ℃下热处理6 h ， 首次脱锂容量为998 mAh/g ，160 次循环容量保持率为70.6% ；添加碳酸氢铵对极 片造孔，能够为硅嵌锂膨胀预留膨胀空间，其中碳酸氢铵添加量为2%时首次效率 为87.8%，首次脱锂容量为959 mAh/g ，40 次循环容量保持率为85.3%，碳酸氢铵 添加量为5%时，首次效率86.2%，首次脱锂容量为907 mAh/g ，40 次循环容量保 持率为 82.9%。同时发现限制容量充放电，能够缓解体积效应，控制材料在 740 mAh/g 容量下充放电，电池97 次循环容量不衰减。 通过设计化成制度发现，考虑负极硅/石墨/碳材料SEI 膜形成过程的化成方式， 能够使硅/石墨/碳复合材料—钴酸锂全电池有更高的容量保持率，对考虑SEI 膜形 成过程的化成方式进行优化，发现当小电流截止电位为由2.5 V 增加到3.8 V 时电 池35 次循环容量保持率由85.5%提高到88%。 关键词：锂离子电池；硅/石墨/碳复合材料；极片造孔；化成 I Abstract Abstract Due to natural advantages of silicons high capacity, it can effectively improve the lithium ion battery e