SiOx/石墨复合材料的合成及储锂性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。锂离子电池(lib)于1991年由索尼公司首次引入市场，因其具有高重量和体积能量、高功率密度、长循环寿命和低自放电等特点，成为当今世界上最受欢迎的电池技术之一。它广泛应用于消费电子产品，如笔记本电脑、手机、医疗设备以及电动汽车(ev)，为不可再生的化石燃料汽车提供了一种清洁、绿色的替代方案。此外，libs是储存太阳能、风能、海浪等间歇性可再生能源的潜在候选，可以减轻化石燃料带来的环境危害。然而，目前典型的锂离子比能约为210 wh·kg^-1。意味着电动汽车仍然不能与内燃机汽车的行驶里程相媲美。约300美元/千瓦时的无竞争力价格和低循环寿命也阻碍了其在电网和可再生能源存储系统中的大规模部署。

针对于si负极的大量的研究，例如纳米结构，涂层，粘合剂和添加剂，并且在一定程度上实现了改善，但体积变化大，sei不稳定的情况仍然存在，大体积膨胀往往导致每个周期上生长新的sei，这是一个li导电但电子绝缘的钝化层。sei层具有的钝化特性，对硅基负极的稳定循环至关重要，但在sei层形成过程中，可循环li和电解液也会被消耗，导致容量衰减，而这阻碍了si的实际应用。当将电池的总容量作为衡量负极和正极的容量的一项指标时，正极预计需要200mah·g^-1的容量，而负极的比容量高于2500 mah·g^-1时候会达到饱和，并且对电池总的容量几乎没有影响。在这种情况下，基于siox的负极材料在实验中约2200-2500 mah·g^-1的初始放电容量，可以获得更长循环寿命，权衡下来，也具有一定的实用意义。在li与siox反应和循环中，不可逆的li₂o和li₄sio₄的形成降低了比容量，但充当了可循环lixsi的天然体积缓冲基质，从而改善了循环性能和容量保持力。

非晶sio已有数十年的历史，在被用作lib负极材料之前，已经被使用在各种应用技术中。目前，随机混合（rm）模型是被已经验证过的，相对比较准确，他假设的是sio包含si和sio₂小范围的混合物，对应于一种多相混合物。hohl等人基于早先的模型，再结合实验提出了一种界面簇混合模型（icm），该模型表明非晶态sio在初始状态下是冻结的非平衡体系。具体地说，si以多种化学状态存在，即si⁰，si ，si² ，si³ ，si⁴ ，也可能存在许多原子链。应该注意的是，在一些文献中有些作者交替使用sio和siox，因为在实际情况中无法达到或者不希望达到精确的1：1的化学计量比，故通常使用siox来描述化学计量比为1：1的sio和siox（0x2）。

2. 研究内容和预期目标

siox/c作为锂离子电池的负极材料具有作为高比容量lib负极的潜能，但是仍需要解决容量保持能力，si的利用率和低的首圈库伦效率等现实问题。因此，本论文尝试通过一步镁热还原法将g-c₃n₄/sio₂前驱体还原成siox/c复合材料，用作锂离子负极，用于测试材料的储锂性能。

具体研究内容包括：

1） 合成介孔氧化硅材料，并在材料的孔道中引入氮化碳的前驱体二聚氰胺；

3. 研究的方法与步骤

本实验使用的方法和步骤如下：

(1) 调研纳米siox/c复合材料的研究进展，包括国内外研究现状及其应用。

(2)研究纳米siox/c复合材料的不同制备方法，总结得出较优的制备路线。

4. 参考文献

[1] dou f, shi l, chen g, et al. silicon/carbon composite anode materials for lithium-ion batteries [j]. electrochemical energy reviews, 2019, 2(1): 149-198.

[2] tao h c, fan l z, qu x. facile synthesis of ordered porous si@c nanorods as anode materials for li-ion batteries [j]. electrochimica acta, 2012, 71: 194-200.

[3] zhang r, du y, li d, et al. highly reversible and large lithium storage in mesoporous si/c nanocomposite anodes with silicon nanoparticles embedded in a carbon framework [j]. advanced materials, 2014, 26(39): 6749-6755.

5. 计划与进度安排

(1)第1周~第4周，合成氮化碳/氧化硅复合材料，并表征材料的结构；同时查阅资料，研究纳米硅/碳复合材料的研究进展，准备开题报告；

(2)第5周~第8周，进一步制备siox/c复合材料，并对材料的结构进行表征；同时完成外文论文翻译，论文前言部分的撰写；

(3) 第9周~第12周，将所得纳米siox/c复合材料组装成锂离子电池，并测定材料的电化学性能；