摘 要

随着环境污染问题和能源短缺问题的日益恶化，寻找一种可再生的清洁能源逐渐成为了当前新能源域研究的核心问题。传统的二次电池由于电压较低、比能量低、循环寿命短、自放电小等缺点使其在很多领域的使用受到一定限制，因此寻找一种新的电极材料尤为重要。锂离子电池作为一种二次电池，具有电压高、比能量高、循环寿命长、自放电小、绿色环保等优势，近年来在新能源领域备受关注。目前，锂离子电池的应用也逐渐从传统的小型电子设备转向电动汽车、航空航天等能耗更高的领域。但是以石墨为负极材料的锂离子电池放电电压也相对较低，在高性能锂离子电池中，提高负极材料的比容量对提高整个锂离子电池的容量具有重要意义。在所有的锂离子电池的负极材料中，硅具有最高的理论比容量（4200mAh/g）和适中的嵌锂电位（约0.4V）以及丰富的开采资源，因此成为了机具应用前景的锂离子电池负极材料之一。本文主要研究锂离子电池负极材料中硅含量的不同对其电化学性能的影响。

关键词：二次电池、锂离子电池、纳米硅、硅负极

Abstract

With the deteriorating problems of environmental pollution and energy shortages, the search for a renewable clean energy has gradually become the core issue of the current new energy research. The traditional secondary battery has certain limitations in its use in many fields due to its low voltage, low specific energy, short cycle life, and low self-discharge. Therefore, it is particularly important to find a new electrode material. As a secondary battery, a lithium ion battery has advantages of high voltage, high specific energy, long cycle life, small self-discharge, and environmental protection, and has attracted much attention in recent years in the field of new energy. At present, the application of lithium-ion batteries has gradually shifted from traditional small electronic devices to higher-energy areas such as electric vehicles and aerospace. However, the discharge voltage of lithium-ion batteries with graphite as anode material is also relatively low. In high-performance lithium-ion batteries, increasing the specific capacity of the anode material has important significance for improving the capacity of the entire lithium-ion battery. In all lithium-ion battery anode materials, silicon has the highest theoretical specific capacity (4200mAh/g) and moderate lithium insertion potential (about 0.4V) and abundant mining resources, so it has become a promising lithium-ion battery for machine tools. One of the negative materials. This paper mainly studies the effect of different silicon content on the electrochemical performance of lithium ion battery anode materials.

Keywords: secondary battery, lithium ion battery, nanosilicon, silicon negative electrode

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 背景介绍 1

1.2锂离子电池的概述 2

1.2.1锂离子电池工作原理 2

1.2.2锂离子电池的优点 4

1.3锂离子电池的发展历程 5

1.4锂离子电池负极材料研究进展 6

1.4.1锂离子电池负极材料的概述 7

1.4.2碳基负极材料 8

1.4.3硅基负极材料 8

1.5硅—碳负极材料的制备方法 9

1.5.1溶胶凝胶法 10

1.5.2高能球磨法 10

1.5.3静电纺丝法 11

1.6锂离子电池正极材料概述 11

1.7电解液 11

1.8电极材料性能测试 12

1.8.1恒压充放电 12

1.8.2循环伏安测试（CV） 12

1.9锂离子二次电池研究的目的 12

第二章 实验部分 14

2.1实验目的及意义 14

2.2实验试剂 14

2.3电极片的制备 14

2.4电池的组装 15

2.5电池电化学性能测试 16

第三章 结果讨论 17

第四章 结论 31

参考文献 32

致 谢 34

1. 绪论

1.1背景介绍

随着人类社会的不断进步，人们对能源的需求日益迫切，21世纪以来，随着煤和天然气等化石燃以及其它不可再生能源的急剧消耗，以及不断恶化的环境问题，能源和环境问题已经成为了目前人类社会发展的重中之重。二次电池作为可替代传统化石燃料的可再生能源，有效的缓解了这一难题。与传统铅酸、镍镉、镍氢等二次电池相比，锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命、绿色无污染、低自放电率且环保无记忆效应等优点。^[1]锂离子电池目前在手机、电脑以及电动汽车领域有着广泛的应用。下图是自1999年至2008年十年二次电池的市场变化图，由此可以看出锂离子电池十年间发展迅速，2008 年其销售额占到了二次电池的 90%左右，而镍氢和镍镉电池的用量在不断下降，说明锂离子电池是二次电池的主要发展趋势。^[2]

图1 1999-2008二次电池的市场变化图

对于锂离子电池的研究有很多，目前研究方向主要在于制备工艺、掺杂、包覆等改性手段上；其中对锂离子电池正极材料的研究较多，而对同样决定着锂离子电池电化学性能的负极材料和电解液的研究相对较少。在电化学反应过程中，负极材料是储存锂离子的载体，能够保证锂离子在正负极之间的脱嵌。负极材料的研究对锂离子电池的出现起着决定性作用。^[3]目前比较常见的锂离子电池中，负极材料以石墨为主，但是石墨的结构会限制锂离子嵌入，从而导致锂离子电池的电化学性能受到影响。相比而言，Li-Si的理论比容量高达4200mAh/g，在目前的材料中有着最高的理论比容量，另外硅的嵌锂电位（约0.4V）适中，因此硅作为锂离子电池的负极材料有着很广泛的应用前景。

1.2锂离子电池概述

1.2.1锂离子电池工作原理

化学电源，即通常所说的电池，是当代社会不可缺少的能量存储与转换装置。单体电池主要由正极、负极和电解液三大部分组成。锂离子电池是一种锂离子浓差电池，主要由正极、负极、电解液及隔膜三部分组成，其正负极活性物质都是可逆脱嵌锂材料，但是具有的电位不同，因此锂离子可以穿过电解液、隔膜在正负极材料之间嵌入或脱出，从而达到充放电的目的。锂离子电池的结构和工作原理如图2所示。^[4]

图2 锂离子电池的充放电示意图

电池在充电过程中，锂离子从电池的正极材料中脱出，进入电解液再穿过隔膜向负极材料移动，嵌入负极材料，这个过程中，正极处于贫锂状态，负极处于富锂状态；而放电过程中，锂离子从负极材料中脱出，进入电解液再穿过隔膜嵌入正极材料。这一过程中电荷保持平衡，相同数量的电子在锂离子嵌入和脱出的过程中经过外部电路传递，电池的正极和负极相应的发生了氧化和还原反应。如以LiCoO2为正极石墨为负极时，充电时电极反应为：

^{ }

^正极：LiCoO₂===Li_1-xCoO₂ xLi Xe^-

^负极：6C xLi xe===Li_xC₆

1.2.2 锂离子电池的优点

目前市场上主要的二次电池有铅酸、铬镍、镍氢电池，与这些二次电池先比较，锂离子电池具有以下优点：

（1）工作电压高。锂离子电池中决定工作电压的是正负极的材料，目前常见的商业化锂离子电池，例如锂钴氧和锂锰氧为正极的电池中工作电压一般在 3.6-3.7 V，磷酸铁锂为正极的电池中的工作电压在 3.4 V，而其它二次电池如镍氢、铬镍和铅酸电池的工作电压只有1.5-2.0 V。

（2）能量密度高。下图是二次电池质量能量密度和体积能量密度比较示意图。从图中可以看出，锂离子电池的体积能量密度比和质量能量密度比几乎都是Ni-Cd和Ni-MH电池的2-4倍，是铅酸电池的5-8倍，即相同容量下，锂离子电池的体积只有其它二次电池体积的2/3，质量只有其一半。

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