硅钛复合物的制备及性能_毕业论文1.doc

毕业设计（论文） 题 目硅-钛复合物的制备 及性能 系 （院） 化学与化工 专 业化学工程与工艺 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 职 称 独 创 声 明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。 尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 二一三年 月 日 毕业设计（论文）使用授权声明 本人完全了解关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学 校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制 手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立 目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允 许他人依法合理使用。 （保密论文在解密后遵守此规定） 作者签名: 二一三年 月 日 滨州学院学士学位论文 i 硅-钛复合物的制备及性能 摘要 由于硅是在锂合金化的过程中体积会发生很大的变化，并导致其 容量迅速衰减、循环性严重恶化等一系列问题。为此，本实验通过制 备硅-钛复合物来提高它的容量保持率和循环稳定性。首先正硅酸四乙 酯（teos）发生水解反应生成了 sio2，然后将其包覆在金属钛上面， 再通过镁热还原反应，最后制得硅-钛复合物材料。电化学性能测试表 明负极材料首次充放电效率为 87.55，循环过程中容量保持率也较高。 由于制备的复合物比容量较低，为此，进一步制备硅-钛（钛包覆硅） 复合物并对其进行测试，结果表明硅-钛（钛包覆硅）复合物的首次充 放电比容量较小，首次充放电效率也很低，而且它的可逆容量降低很 快，初步分析原因可能是复合物中金属钛被氧化，结构遭到破坏。 关键词：锂离子电池；硅基负极；可逆容量；硅-钛复合物 滨州学院学士学位论文 ii preparation and performance of ti-coated silicon composite abstract since the volume of silicon will change a lot in the process of lithium alloying, and this change may cause a series of problems, such as the rapid decay of capacity and the serious deterioration of cyclicity. in order to solve these problems, silicone - titanium composite is prepared to improve the retention of capacity and cycling stability. in the experiment, firstly, the teos is hydrolyzed to sio2, and then we coated sio2 on surface of titanium, through the magnesiothermic reduction reaction, we obtain the final material, silicon - titanium composite. electrochemical tests showed that the first charge-discharge efficiency of anode material is 87.55%, and retention of capacity is high during cycling. further more, since the specific capacity of composite was low, we prepare silicone - titanium composite (titanium coated silicon) and make test again, the results show that the initial charge- discharge specific capacity of si - ti (titanium coated silicon) composite is small, and initial charge-discharge efficiency is very low, and its reversible capacity decreased rapidly. preliminary analysis shows the reasons for this situation that titanium compound is oxidized, and the structure was destroyed. key words：lithium ion batteries；si-based anode；reversible capacity；si-ti composite 滨州学院学士学位论文 i 目录 引言引言1 第一章第一章 绪论绪论2 1.1 锂离子电池概况.2 1.1.1 锂离子电池的结构2 1.1.2 锂离子电池的工作原理3 1.2 电极材料的研究进展.4 1.3 负极材料的研究进展.4 1.3.1 碳素类4 1.3.2 sn 基材料4 1.3.3 硅基材料5 1.4 本文的研究方法.6 1.5 本文研究的目的和内容.6 第二章第二章 实验部分实验部分8 2.1 所需的仪器和材料.8 2.2 材料制备.9 2.2.1 纳米二氧化硅的制备9 2.2.2 硅-钛复合物（硅包覆钛）的制备.9 2.2.3 硅-钛复合物（钛包覆硅）的制备.9 2.2.4 镁热还原10 2.3 电池组装.10 2.3.1 制作集流体10 2.3.2 浆料配制10 2.3.3 涂片10 2.3.4 测试电池的组装10 2.4 电化学性能测试.11 第三章第三章 结果与讨论结果与讨论12 3.1 纳米硅的电化学性能分析.12 滨州学院学士学位论文 ii 3.2 纳米硅和硅-钛复合物（硅包覆钛）的电化学性能分析13 3.3 硅-钛复合物（钛包覆硅）的电化学性能分析16 结论结论19 参考文献参考文献20 谢辞谢辞22 滨州学院学士学位论文 1 引言 随着时代的发展进步，人类的生存与能源的发展变得更加密不可分。目前，矿 物能源正逐步的枯竭，新能源的开发也引起人们极大的兴趣。而随着电动汽车、笔 记本电脑以及移动通讯设备的普及，传统的锂离子电池已无法满足其性能需求。 材料技术的发展为锂离子电池的研究奠定了一定的基础，但是目前的负极材料 主要是石墨，其实际的比容量已经接近 372 mahg-1的理论值1，且存在电位平台 低、倍率性能差等缺点，因此，寻找比容量更高、寿命更长的负极材料已成为锂离 子电池未来研究的方向。 与石墨材料相比，硅作为锂离子电池负极材料，其比容量的理论值可高达 4200mahg-1，约是石墨比容量的 10 倍。而且硅基负极材料有更高的比容量，它 的价格便宜、来源广泛，非常有前景。但是，硅最大的缺陷是在锂合金化的过程中， 体积会发生很大的变化，会造成材料机械粉化和结构的破坏，从而导致循环过程中 活性物质的脱离，致使其容量迅速的衰减，循环性能变得十分差2。因此，在获得 高容量的同时，进一步的提高容量保持率和循环稳定性能，制备出更好的电极材料 是实验研究的重点。 滨州学院学士学位论文 2 第一章 绪论 1.1 锂离子电池概况锂离子电池概况 早在上世纪七十年代，人们就对锂电池产生了兴趣。但是众多科研机构发现以 金属锂为负极的电池在充电过程中极不稳定。直到上世纪 90 年代初，日本的科研 人员才开发出了一种以碳作负极材料的锂离子电池。从此以后，这种高能量的可充 电电池便问世了。与之前常用的二次电池相比，新研发的锂离子电池优点非常的突 出，它的工作电压较高、循环寿命较长、没有记忆效应、能量效率较高，尤其是质 量比能量的优势更加突出3。 之前，由于正极材料技术的发展，锂离子电池的应用已经从最初的手机、电脑 等电子设备向电动自行车、电动汽车等行业进行转变。然而随着电动汽车、笔记本 电脑以及移动通讯设备的普及，传统的锂离子电池已无法满足其性能需求。现在， 锂离子电池的负极材料主要是碳材料，其理论容量很小，满足不了人们对容量日益 增长的需求，所以研发寿命长、比容量高的锂离子电极材料已经成为锂离子电池发 展的重要方向，而硅材料因具有高达 4200mahg-1的理论比容量而成为众多科研 者的不二之选。 1.1.1 锂离子电池的结构锂离子电池的结构 锂离子电池的结构如下图 1.1 所示4 图图 1.1 电池结构图电池结构图 1 绝缘体；绝缘体；2 垫圈；垫圈；3 原件；原件；4 正极端子；正极端子；5 排气孔；排气孔；6 防爆阀；防爆阀；7 正极；正极；8 隔膜；隔膜；9 负极；负极； 10 负极引线；负极引线；11 正极；正极；12 外壳外壳 滨州学院学士学位论文 3 锂离子电池主要包括正极、负极、外壳、电解液、隔膜等部分。其中该电池的 正极是由正极活性物质和正极集流体等构成，负极是由负极活性物质和负极集流体 等构成。而小型锂离子电池（如纽扣型锂离子电池）的正极集流体材料一般是铝片， 负极集流体材料一般是铜片。在电极中，集流体的主要作用是收集电流并将电流均 匀的进行分布。电解液在电池的正负极之间起到离子导电的作用，并且它还锂离子 电池具有高电压、高比能等优点。在电池中，隔膜不仅是可以起到防止正负电极相 接触而导致内部短路的作用，而且它也是一种只允许离子通过不允许电子通过的特 殊的膜，用于防止正负极之间发生短路。 1.1.2 锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理 锂离子电池的原理图如图 1.2 所示5。由图可见，充电时，li+从正极脱出后插 入负极，使得负极处于富 li+状态正极处于贫 li+状态。而放电过程正好与此相反， 在放电时，li+从负极脱出后插入到正极，使得正极为富 li+状态负极处于贫 li+状 态。为了维持电荷的平衡，在充、放电的过程中外电路会有相应的相同数量电子随 着 li+一同在正负极之间循环往复，使正负极都发生了氧化还原反应，从而维持了 稳定的电位6。由此可知，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应，在电池的使用 过程中充、放电环节循环往复不断进行。 图图 1.2 锂电池原理图锂电池原理图 滨州学院学士学位论文 4 4 以钴酸锂为正极，石墨为负极7为例，在充电时，li+从正极脱出后，经过电解 液后，嵌入到负极，并形成了锂碳层间化合物，放电过程正好与此相反。则电池的 正、负极反应和电池总反应分别为： 正极反应：licoo2li1-xcoo2+xli+xe- 1-(1) 负极反应：6c+xli+xe-lixc6 1-(2) 总反应：licoo2+6cli1-xcoo2+lixc6 1-(3) 1.2 电极材料的研究进展电极材料的研究进展 材料技术的突破奠定了锂离子电池发展的基础，锂电池的电极材料是由负极材 料和正极材料构成。正极材料主要分为锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂镍氧化物和聚 阴离子系列8。目前，与负极材料相比，正极材料的研究已经比较成熟，负极材料 的发展已经成为锂离子电池行业发展的关键。现在，在锂离子的负极材料中，碳材 料占据了很大一部分，其比容量较小，而使用的碳负极材料已经接近其极限容量， 所以研比容量高的锂离子电极材料已经成为目前研究的重点。 1.3 负极材料的研究进展负极材料的研究进展 1.3.1 碳素类碳素类 碳素类的负极材料主要包括石墨、软碳、硬碳。石墨作为负极材不仅有导电性 好的特点，而且还具有很好的层状结构9，充放电效率相对来说也比较高，是目前 应用最广的负极材料。软碳指的是温度在 2500 以上时能石墨化的碳，与石墨相 比，其结晶度较低，并且与电解液具有良好的相容性。但是，软碳充、放电的电位 平台并不明显。硬碳指的是即使温度在 2500以上的时也不能石墨化的碳。在通 常情况下，硬碳的循环性能较好10。 目前，以石墨为主的负极材料由于循环效率较高、循环性能较好，早就被人们 广泛的应用于锂电池的生产。但是它的理论容量太低，满足不了人们对容量日益增 长的需求，限制了锂离子电池的进一步发展。 1.3.2 sn 基材料基材料 sn 基材料是指 sn 与其它的金属形成合金复合物。虽然合金材料具有能量密度 高、导电性好等优点，但是它在充、放电过程伴随巨大的体积效应，导致材料结构 的破坏和机械粉化，而且在循环过程中容量会迅速的衰减，因此还有待进一步研究 和探索。 滨州学院学士学位论文 5 5 1.3.3 硅基材料硅基材料 经多年研究发现，硅基材料的理论比容量可高达 4200mahg-1，超过石墨容 量近 10 倍，远高于目前正广泛应用的碳材料。由于硅基材料的理论比容量较高， 而且它在地球上含量十分丰富、成本也很低、对环境没有危害，相比目前较成熟的 技术，硅基材料具有更好的前景。虽然硅基材料具有这样优势，但是，硅基材料最 大的缺陷是在锂合金化的过程中，会发生巨大的体积效应，导致材料粉化和结构遭 到破坏，从而导致容量很快的减小，循环性能也会变得很差11。下面将对提高硅基 合金负极性能的方法进行总结论述。 （1）纳米化 纳米化就是制备纳米级的负极材料。现在纳米化的研究的方向主要包括零维、 一维和二维。当颗粒在细化之后，硅的绝对体积的变化程度就会相对减小12，同时 锂离子的扩散距离也会减小，进而提高了反应速率，从而阻止材料结构的破坏和机 械粉化。但是当颗粒降到 100nm 以下时，就容易发生电化学烧结，从而加快容量 的衰减，由于纳米材料较贵，大量使用会增加费用。 所谓的零维硅基纳米材料就是制备纳米硅粉。零维的纳米材料可以通过激光法 等方法制得。一维纳米材料就是制备硅纳米线或硅纳米管，二维纳米材料就是制备 硅基薄膜。这两种方法也能较好的提高硅的循环稳定性，但是目前由于制备成本太 高，所以还没有大规模的应用。 （2）硅基复合材料 就目前而言，单纯的纳米硅单质难以解决在充、放电过程中发生的巨大的体积 效应。所以，合成具有特殊结构的硅基复合材料是一个非常有效的改性手段13。所 谓的硅基复合材料是指通过加入其它物质（如石墨、金属等）来有效的缓冲充、放 电过程中的体积效应，同时增加了负极材料的导电性和循环稳定性14。 很多材料都可用作锂电池的负极材料，根据化学组成大体可以分为金属类、无 机非金属类以及金属-无机非金属复合类。但是目前制备硅基复合材料主要是制备 硅-非金属复合物和硅-金属复合物。其中非金属类的复合物主要是硅和碳的复合物， 对于此类复合材料，根据材料的微观结构，硅-碳复合材料可分为嵌入型、包覆型 以及分散型三大类。包覆型是指用硅作为基质，石墨作为分散机体，这样既可以提 供储锂容量，也可以缓冲嵌入和脱出过程中的体积变化；嵌入型是指用碳作基质， 滨州学院学士学位论文 6 将活性硅颗粒嵌入到碳基质中；分散型是将纳米级硅的活性分子充分的分散到 碳基质中，这也是一种理想状态下的分散体系，这种状态可以使得硅分子与碳基质 进行充分的接触，可以最大程度的减轻硅在嵌入和脱出过程中的体积效应。 在硅-金属复合物负极材料中，由于金属具有较高的导电率和良好的延展性， 而且基质和硅之间具有更强的黏附力，从而使电极结构更加的稳定，循环性能更高 15。硅-金属复合物材料按金属是否具有嵌锂活性可以分为两类。硅与不具有嵌锂 活性的金属复合时会在一定程度上降低复合物的比容量，但是反而会提高复合物的 循环稳定性。硅和具有活性的金属复合时，容量将不会发生太大变化，二者相比来 说，后者比较合适。 （3）多孔结构 在多孔材料中，由于材料的孔隙率较高，导致材料有足够的空间为硅的体积效 应作缓冲，因而它的循环稳定性能较好。但是又由于它的孔隙率较高，电解液和多 孔材料接触机率会增大，相应的副反应也随之增加，最终会导致电池的可逆容量比 较低。目前制备多孔材料的方法主要有逐层自组装法16、模板法17 以及溶胶辅助 自组装法18。 1.4 本文的研究方法本文的研究方法 综上所述，由于碳材料的比容量已经接近其理论容量，是的它已不能满足未来 锂离子电池对负极材料的要求。虽然硅基材料在嵌入和脱出过程中伴随着较大的体 积效应，但是由于它具有最高的嵌锂容量而倍受人们关注。目前改进硅基负极材料 的方法有主要有上述介绍的三种，但是任何一种都不能很好的改善硅基负极材料的 性质。所以综合多种方法对硅基负极材料的性能进行改进，是最为合适的一种方式。 钛是一种新型的过渡金属，由于它具有较强耐腐蚀性能，为制备我们所需的材 料提供一些便利。如在使用金属热还原法后，制得的材料需要用酸溶解未反应的金 属，但是包覆在纳米硅空心球的表面的金属钛不会受到任何影响。此外，还可以减 少一些副反应，从而进一步提高电极材料的稳定性19。 1.5 本文研究的目的和内容本文研究的目的和内容 经研究发现，在负极材料中，硅材料因具有高达4200mahg-1的理论比容量而 成为最具前景的负极材料，若硅材料能实现应用，则可以极大地推动锂离子电池的 滨州学院学士学位论文 6 快速发展。 滨州学院学士学位论文 7 本文研究硅-钛复合物的制备及其性能。实验时先制备出空心的二氧化硅纳米 球，然后在金属钛的表面包覆上二氧化硅纳米球，然后再通过镁热还原反应还原二 氧化硅钛的复合物，还原之后即可制备出硅-钛复合物（硅包覆钛） 。之后，对其 性能进行测试，进一步改进实验方案。 滨州学院学士学位论文 8 第二章 实验部分 2.1 所需的仪器和材料所需的仪器和材料 本文所采用的实验药品及材料材料如表 2-1 所示。 表表 2-1 所采用的主要实验药品及材料所采用的主要实验药品及材料 材料名称规格生产厂家 正硅酸四乙酯（teos）分析纯阿拉丁试剂（上海）有限公司 钛酸四正丁酯分析纯天津市科密欧化学试剂有限公司 十二胺（c12h27n）分析纯瑞士特密高石墨有限公司 无水乙醇分析纯莱阳经济技术开发区精细化工厂 纳米钛分析纯阿拉丁试剂（上海）有限公司 氨水分析纯天津市东丽区天大化学试剂厂 95乙醇分析纯莱阳经济技术开发区精细化工厂 羧甲基纤维素钠（cmc）分析纯赫克力士化工（江门）有限公司 丁苯橡胶（sbr）分析纯上海高桥巴斯夫分散体有限公司 盐酸分析纯莱阳经济技术开发区精细化工厂 ar/h2混合气国标济南德阳特种气体有限公司 本文所使用的仪器如表 2-2 所示。 表表 2-2 所采用的主要仪器所采用的主要仪器 仪器名称 型号 生产厂家 真空干燥箱 dzf-250 郑州长城科工贸有限公司 高温管式炉 kss-14g 塞里斯仪器有限公司 真空手套箱 lab2000 伊特克斯惰性气体系统（北京）有限公司 电池测试系统 ct-3008w-5v(1ma-4ma) 新威高精度电池性能测试系统 滨州学院学士学位论文 9 续表续表 2-2 仪器名称 型号 生产厂家 真空干燥箱 dzf-250 郑州长城科工贸有限公司 可调控温电热套 kdm 山东鄄城华鲁电热仪器有限公司 行星式球磨机 gm-3sp04 南京大学仪器厂 电子天平 auy120 上海上平仪器公司 2.2 材料制备材料制备 2.2.1 纳米二氧化硅的制备纳米二氧化硅的制备 本步骤实验方案参考文献20中所列出的制备方法如下：按正硅酸四乙脂：无 水乙醇=1:15 的体积比分别量取 9ml 正硅酸四乙脂、135ml 无水乙醇，二者混合均 匀后加到圆底烧瓶中，放在磁力搅拌器上剧充分搅拌混合 15-20h。然后量取 9ml 氨水、50ml 蒸馏水混合均匀后加入到该圆底烧瓶中，再一次置于磁力搅拌器上剧 烈搅拌水解 24h。待水解完后，利用离心机将所得的溶液进行分离，得到分离产物。 将分离产物进行真空干燥 3h 后即可得到二氧化硅。 2.2.2 硅硅-钛复合物（硅包覆钛）的制备钛复合物（硅包覆钛）的制备 按正硅酸四乙脂：无水乙醇=1:15 的体积比分别量取 9ml 正硅酸四乙脂和 135ml 无水乙醇，再根据计算称取 0.1068mg 纳米金属钛（按质量比 si:ti=9:1 计算） ，三者混合均匀后加入到圆底烧瓶中，置于磁力搅拌器上剧烈搅拌充分混合 15- 20h。然后量取 9ml 氨水、50ml 蒸馏水混合均匀后再加入到该圆底烧瓶中与原溶 液混合，之后再往圆底烧瓶中加入 7.4789mg 的十二胺（与 teos 的摩尔比为 1:1 进行吸附），再一次置于磁力搅拌器上剧烈搅拌水解 24h。并用塑料袋扎住瓶口防 止氨水挥发。水解完成后，利用离心机将所有的溶液进行离心分离，得到分离产物。 将分离产物置于真空干燥箱中进行真空干燥 3h 后即可得到硅-钛复合物。 2.2.3 硅硅-钛复合物（钛包覆硅）的制备钛复合物（钛包覆硅）的制备 先将 2.007g 多孔二氧化硅和 20.0ml 无水乙醇加入到圆底烧瓶，再根据计算量 取 1.3ml 钛酸四正丁酯（按质量比 si:ti=9:1 计算），混合均匀后再加入 0.6855mg 的十二胺（与钛酸四正丁酯的摩尔比为 1:1 进行吸附），然后置于磁力搅拌器上充 滨州学院学士学位论文 10 分搅拌 24h。然后加入 2.0ml 氨水，并往圆底烧瓶中滴加 5.0ml 左右蒸馏水， 其余的操作步骤同 2.2.3。 2.2.4 镁热还原镁热还原 将以上制得的纳米二氧化硅和硅-钛复合物样品进行镁热还原。实验方法如下： 分别将将制取的二氧化硅、硅-钛复合物与过量的镁粉混合均匀后放于坩埚中，然 后置于高温管式炉中进行镁热还原反应。二者的镁热还原反应条件为 800下反应 3h，升温速率全部为 30min-1。反应结束后，待温度降至室温将样品取出，分别 用稀盐酸对其进行充分溶解，直至不出现气泡且溶液依然呈酸性为止。然后用蒸馏 水洗，再用无水乙醇清洗 2 遍，放入真空烘箱内 80真空条件下干燥 4h 降至室温 取出。 2.3 电池组装电池组装 2.3.1 制作集流体制作集流体 首先剪裁出 10 个 1cm2大小的铜片，然后用千斤顶对其进行压片，再用稀盐酸 浸泡一段时间除去表面的氧化膜。之后，用蒸馏水水洗至 ph 呈中性，再用无水乙 醇进行清洗，用纸擦干，置于真空干燥箱 80真空条件下烘干后称重并记录数据。 2.3.2 浆料配制浆料配制 洗干净两个球磨罐（编号为、），按照活性物质:sbr:sp:cmc=7:1:1:1 的 比例称量出各物质的量，然后加入到号球磨罐中，并加入适量的蒸馏水和乙醇 使加入的材料混合均匀。放入在球磨机在 200rmin-1的转速下球磨 2h 后取出。 2.3.3 涂片涂片 用玻璃棒将第二步中制得的浆料均匀的涂抹在第一步中制作的极片上，放入真 空烘箱 80真空条件下干燥 3h，在降至室温后取出，用电子天平称重并记录相关 数据。通过前后的两次重量之差计算出活性物质的重量。 2.3.4 测试电池的组装测试电池的组装 在充满氩气的真空手套箱中组装纽扣式电池。按照由下到上的顺序一次组装电 池壳、合金电极、隔膜（2 片），然后向电池中滴入 ec 电解液，再将锂片放入， 最后盖好电池盖，在电池的封口机上封口后将其移出真空手套箱。室温下搁置一小 段时间，待电解液充分浸入电极后在进行电化学性能测量。 滨州学院学士学位论文 11 2.4 电化学性能测试电化学性能测试 将组装好的纽扣式电池放在电池测试系统上，根据活性物质的重量设置好相关 数据，然后对电池进行充放电测试。其中，电流密度为 0.1c（1c=1000mag-1）， 电压范围为 0.005-2.0v。 滨州学院学士学位论文 12 第三章 结果与讨论 3.1 纳米硅的电化学性能分析纳米硅的电化学性能分析 图 3.1 为实验制备的 si 基负极活性材料在电流密度为 0.1c 恒流充放电时的首 次充放电曲线。由图 3.1 充放电曲线可知，此次制得的纳米硅所对应的放电电位是 0.005v，充电电位为 0.36v，首次充电比容量为 1193.4 mahg-1，放电比容量为 1363.1 mahg-1，可得首次充放电效率为 87.55。 在图 3.1 中，纳米硅首次充放电的电位都比较低，在常温下，锂离子的脱嵌会 造成纳米硅晶体结构的破坏，使得纳米硅晶型逐渐发生转变，生成亚稳态的化合物。 硅在由晶态逐渐转变为非晶态过程中，电位一般都比较低，同时晶体硅在循环过程 中相态的变化也受到电极临界厚度的影响。 图 3.2 为纳米硅基负极材料进行 50 次循环的循环性能曲线。由图可知，随循 环次数的增加，充放电过程的比容量都逐渐减小。而且，所制得的硅基负极材料容 量保持率较低，该材料经过 50 次循环后比容量很低。在第十次和第二十次循环过 0200400600800100012001400 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 charge discharge 压压压v压 压压压压mah/g压 图图 3.1 纳米硅的首次充放电曲线纳米硅的首次充放电曲线 滨州学院学士学位论文 12 程 滨州学院学士学位论文 13 中，对应的可逆容量分别是为 802.1mahg-1、638.5mahg-1，对应的容量保持率 分别为 81.25、76.32。这表明不仅它的可逆容量会随着循环次数的增加逐渐衰 减，容量保持率也随着循环次数的增加逐渐的降低。 01020304050 200 400 600 800 1000 1200 1400 charge discharge 3.2 纳米硅和硅纳米硅和硅-钛复合物（硅包覆钛）的电化学性能分析钛复合物（硅包覆钛）的电化学性能分析 通过 3.1 分析可知，实验所制备的纳米硅基负极材料比容量衰减很快，而且可 逆容量很小，为提高纳米硅的可逆容量，我们就制备出硅-钛复合物（硅包覆钛） ， 并对其与纳米硅的电化学性能进行对比分析。 图 3.3 是 si-ti（硅包覆钛）复合物和纳米 si 的首次充放电曲线对比图。由图 可知，纳米硅的放电平台的电位是 0.005v，充电平台的电位是 0.36v，首次充电比 容量为 1193.4mahg-1，放电比容量为 1363.1mahg-1，可得首次充放电效率为 87.55；而 si-ti（硅包覆钛）复合物的放电平台的电位是 0.1v,充电平台的电位为 0.44v，首次充电比容量为 990.3mahg-1，放电比容量为 1116.8mahg-1，可得首 次充放电效率为 88.67。总之，与纳米硅基负极材料相比而言，硅-钛复合物（硅 包覆钛）的首次充放电比容量是下降的，但是首次充放电效率却略有增加。 图图 3.2 纳米硅循环性能曲线纳米硅循环性能曲线 比容量（比容量（mah/g） 循环次数循环次数 滨州学院学士学位论文 14 0200400600800100012001400 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 sicharge sidischarge si-ticharge si-tidischarge 压压压v压 压压压压mah/g压 0102030405060 200 400 600 800 1000 1200 charge discharge 图图 3.3 si 和和 si-ti（硅包钛）首次充放电曲线（硅包钛）首次充放电曲线 图图 3.4 si-ti 循环性能曲线循环性能曲线 比容量（比容量（mah/ g） 循环次数循环次数 滨州学院学士学位论文 15 图 3.4 为硅-钛复合物（硅包覆钛）负极材料进行的 52 次循环性能曲线。由图 可知，随着循环次数的增加，充放电的比容量逐渐减小，其中，在第十次和第二十 次的循环过程中，它们对应的可逆容量分别是为 471.1mahg-1、390.0mahg-1，对 应的容量保持率分别为 84.14、78.54。随着循环次数的增加，与纳米硅基负极 材料相比，硅-钛复合物（硅包覆钛）的容量保持率相对较高。与图 3.2 相比较，在 循环中，硅-钛复合物（硅包覆钛）的充放电比容量都要远低于硅基负极材料，可 能的原因是硅-钛复合物发生了的团聚或粉化，结构遭到破坏，导致比容量下降。 05001000150020002500300035004000 0 1000 2000 3000 4000 5000 -z“ z b 图 3.5 是硅-钛复合物（硅包覆钛）负极材料的阻抗曲线图。由整个图谱可看出， 在刚开始，有一个很小的圆弧，这表明发生了反应，峰越小表明反应越容易反应， 之后曲线迅速升高。这由图知，所测的负极材料阻抗值较大，相应的在充放电过程 中所制负极材料的比容量降低速度会快，该电池电化学阻抗较大，由实验操作分析 其原因可能是：ec 电解液的添加量不够；所制的材料结构遭到破坏，含有杂 质，应不是单纯的硅-钛复合物（硅包覆钛）负极材料。 图图 3.5 si-ti 阻抗曲线阻抗曲线 滨州学院学士学位论文 16 3.3 硅硅-钛复合物（钛包覆硅）的电化学性能分析钛复合物（钛包覆硅）的电化学性能分析 -20020406080 100 120 140 160 180 200 220 240 260 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 charge discharge 面对纳米硅基负极材料比容量衰减很快的问题，为提高其可逆容量，我们就合 成了硅-钛（硅包覆钛）复合物，通过上述分析，在实验中所制得的硅-钛复合物 （硅包覆钛）负极材料的比容量比较低，为此，我们改进了实验方案合成了硅-钛 （钛包硅）复合物负极材料并对其进行分析讨论。 图 3.6 为实验制备的硅-钛（钛包硅）复合物负极材料在电流密度为 0.1c 恒流 充放电时的首次充放电曲线。由首次充放电曲线可知，此次制得的负极材料所对应 的放电电位是 0.003v，充电电位为 0.46v，首次充电比容量为 126.4mahg-1，放 电比容量为 249.0mahg-1，可得首次充放电效率为 50.74。与 3.2 相比较，此次 制得的负极材料的首次充放电比容量和首次放电效率远低于图 3.2 中合成的负极材 料，初步分析有可能是制备的复合物中钛的含量过高，导致金属钛以泡沫状存在， 严重阻碍了锂离子的嵌入与脱出。 图图 3.6 si-ti（钛包硅）首次充放电曲线（钛包硅）首次充放电曲线 电压（电压（v） 比容量（比容量（mah/g） 滨州学院学士学位论文 17 0510152025 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 charge discharge 图 3.7 是硅-钛（钛包硅）复合物负极材料的循环性能曲线图。从图中可以看出， 该负极材料的比容量从循环一开始就迅速降低，循环性能也不好。初步分析，可能 的原因是在镁热还原的过程中，当复合物在高温管式炉发生反应时，由于操作不规 范导致有氧气进入，使得复合物发生了氧化。 图图 3.7 si-ti（钛包硅）循环性能曲线（钛包硅）循环性能曲线 比容量（比容量（mah/g） 图图 3.8 si-ti（钛包硅）阻抗曲线（钛包硅）阻抗曲线 0100020003000400050006000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 -z z b 循环次数循环次数 滨州学院学士学位论文 18 图 3.8 是硅-钛复合物（钛包覆硅）负极材料的阻抗曲线图。由图可知，在刚开 始，曲线很平缓，峰也很小，当 z到 800 之后，曲线约成直线迅速升高。实验中 所测的电池负极材料的电化学阻抗很大（1.42k），分析其原因可能是：隔膜 的孔隙率有些小，使得电解液中的离子不能顺利的通过；ec 电解液的添加量有 些少；所制的材料被氧化，不是单纯的硅-钛（钛包覆硅）复合物，复合物中的 金属钛被氧化，生成的氧化物对阻抗测量也有很大影响。 滨州学院学士学位论文 19 结论 本文首先制备了纳米硅基负极材料，并对其进行电化学性能测试。之后又通过 镁热还原反应，制得了硅-钛（硅包覆钛）复合物材料。但是，未达到我们预期的 效果，为改进复合物的性能，最后又合成了硅-钛（钛包覆硅）复合物。我们分别 对制备的纳米硅基负极材料及硅-钛复合物的电化学性能进行测试，得到了一下结 论： 1. 此次制得的纳米硅首次的充电比容量为 1193.4mahg-1，放电比容量为 1363.1mahg-1，首次充放电效率为 87.55。但是制备的纳米硅基负极材料的比 容量衰减很快，而且它的可逆容量很小。 2. 与上述纳米硅基负极材料相比，虽然我们制备硅-钛复合物（硅包覆钛）的 首次充放电比容量是减少的，但是首次的充放电效率却略有增加。而且随着循环次 数的增加，硅-钛复合物（硅包覆钛）的容量保持率相对较高，但是它的比容量却 相对较小，可能是因为制备的硅-钛复合物结构遭到破坏，导致比容量减小。 3. 制得的硅-钛（钛包覆硅）复合物负极材料首次的充电比容量为 126.4 mahg-1，放电比容量是 249.0 mahg-1，首次充放电效率是 50.75。但是该负 极材料的可逆容量会迅速的降低，循环性能也不好。初步分析有可能是制备的复合 物中钛的含量过高阻碍了锂离子的嵌入与脱出或者是由于操作不规范导致复合物发 生了氧化。 4. 实验中合成的硅-钛复合物的测得的阻抗值都比较大，原因也类似。为减小 阻值，在今后制取锂离子电池是加过量的导电剂，或者更换不同的电池隔膜。尤为 重要的是，合成的复合物避免被氧化或者其结构被破坏。 滨州学院学士学位论文 20 参考文献 1 陶占良, 王洪波, 陈军. 锂离子电池负极硅基材料j. 化学进展. 2011 (2-3): 27-28. 2 王忠, 田文怀, 李星国. 硅与氮化钛纳米复合材料作为锂离子电池负极的吸放锂性能研究d. 稀有金属材料与工程. 2007, 10(1): 9-14. 3 彭琦,