碳化硅增强硅/三维石墨烯复合材料的制备方法及储锂性能研究

Developing new electrodes is a key issue in fabricating lithium-ion batteries with high energy density and high power density, which is also the hot and difficult problem of the field. Silicon (Si) has attracted tremendous attentions due to its highest specific capacity. However, the drastic volume change during the charge and discharge process, which causes the instability of electrode structure, interfacial and charge transfer, has severely restricted the industrialization of the Si anodes. Our previous study has confirmed that the graphene coating on Si nanowirses and the formation of SiC nanocrystals at the interface improved the cycling performance of the electrode. In this project, we will further study the controllable synthesis of SiC and the three-dimensional (3D) graphene, revealing the mechanism of SiC in graphene/silicon composite electrode; clarifying the nucleation and growth mechanism of 3D graphene prepared by microwave plasma enhanced chemical vapor deposition (MPECVD) method; study the impact of the in-situ nitrogen or boron doping on the electrical conductivity of the electrode. The success of this project can effectively settle the problems faced by the Si electrodes, and provide theoretical and experimental approaches for the SiC in C/Si composite material anode, thus promoting the practical studies of the Si anodes. The theoretical and practical guidance for the preparation 3D graphene and its related applications will be provided as well.

电极的开发是发展高能量密度和高功率密度锂离子电池的关键，也是当前研究的热点和难点。硅材料因具有极高的理论比容量而备受瞩目，但是在充放电过程中其剧烈的体积变化导致电极结构、表界面、电荷传输等的不稳定性，已经严重制约了硅基负极的产业化进程。申请人在前期研究中，证实了石墨烯包覆硅纳米线与SiC纳米晶粒在界面处的形成可以使电极循环稳定性提升。本项目将从SiC纳米结构和三维（3D）石墨烯层的可控制备的角度继续深入。揭示SiC在石墨烯/硅复合材料电极中的作用机制；阐明微波等离子体增强化学气相沉积法制备3D石墨烯的形核和生长机理；研究原位氮或硼掺杂对电极导电性能的影响。相信本项目的实施可以有效解决硅基电极目前存在的问题；为SiC在C/Si复合负极材料中的价值提供理论与实验依据；从而推动对硅基负极的实用化研究。同时，对3D石墨烯的制备及相关应用提供理论与实践指导。

高性能电极的开发是锂离子电池性能提升的关键，也是当前研究的热点和难点。高比容量负极材料在循环过程中剧烈的体积变化导致的电极结构、表界面、电荷传输等的不稳定性问题是制约其产业化进程关键因素。各种纳米结构材料固然可以缓解体积变化引起的应力,但随着循环次数的增加，纳米结构表面的SEI膜还是会因为不断地膨胀、收缩而被破坏，从而导致电极的电化学性能衰退。石墨烯具有独特的二维结构和优异的电子导电性、力学强度及柔韧度，可以有效的缓冲和限制充放电过程中的体积效应，提高材料循环寿命性能。.本课题围绕3D石墨烯和硅基纳米材料复合的负极材料展开，利用微波等离子体化学气相沉积法制备高质量3D石墨烯，实验证明，在较低的微波功率（1000W）和较高甲烷比例条件下（~40%），可以得到连续、均匀包裹在硅纳米线表面的3D石墨烯结构。3D石墨烯中具有较多的褶皱和空间，兼具很好的柔韧性，并且与硅纳米线紧密结合，可以有效的适应硅纳米线在锂离子电池充放电过程中带来的体积膨胀和收缩变化。本项目通过3D石墨烯和SiC/Si的复合结构材料很好的解决了硅纳米材料的导电性较差和体积膨胀带来的循环稳定性差等问题，明确了SiC在复合材料中的结构和作用，为下一步设计新型分层结构Si/SiC/C复合材料提供了理论和实验基础；.在研究3D石墨烯和硅基复合材料用于锂离子电池负极的同时，我们还探索了三维石墨烯和过渡金属氧化物复合材料的锂离子电池负极材料，并显示出优异的电化学性能，在4000 mA g-1的高电流密度下即使循环2000圈以后，仍保持730 mA g-1的可逆容量。另外，还开发了一种基于钾离子电解液的双碳电池，该新型廉价双碳钾离子电池的放电中值电压高达4.5V，单个纽扣电池就能同时点亮两颗LED灯，并且电池充放电循环100圈后，容量几乎没有衰减，使得其可以满足高电压器件的要求。该新型电池将大幅降低生产成本，还具有环保友好、安全性高、能量密度相对较高等优点，具有广泛的应用前景。