摘要：通过水热-高温碳化法制备有序多孔Si@C纳米球作为高性能锂离子电池的负极材料。所制备的多孔Si@C纳米球在100 mA g-1的速率下62次循环后可逆比容量高达1024 mAh g-1，较Si纳米颗粒，其循环性能显著提高。电化学性能的改善可以归因于通过MOF制备的多孔碳和Si复合材料的多孔交织结构，可以有效地抑制Si颗粒的体积变化并提高电子导电性。多孔Si@C纳米球是具有一定应用前景的锂离子电池负极材料。

该论文有图 7幅，表2个，参考文献29篇。

关键词:锂离子电池  负极材料  硅 多孔碳  

The preparation of high-performance Si@Cmaterials and lithium storage properties research

Abstract：Preparation of ordered porous Si@Cnanospheres as anode materials for high performance lithium ion batteries by hydrothermal high temperature carbonization.The prepared porous Si@Cnanospheres were obtained at a rate of 100mA g-1 after 62 cycles to obtain near reversible capacity of 1024 mAh g-1 as well as improved cycle stability and excellent specific capacity.The improvement of electrochemical performance can be attributed to the porous structure of porous carbon prepared by MOF and Si composites, which can effectively restrain the volume change of Si particles and improve the electronic conductivity.Porous Si@Cnanospheres are of great potential in the anode materials of lithium ion batteries

Key words：lithium ion batteries  anode materials   silicon   porous carbon

摘要--Ⅰ

Abstract-Ⅱ

目录--Ⅲ

图清单---Ⅳ

表清单---Ⅳ

1 引言---4

2 实验部分-5

2.1试剂与仪器 --5

2.2实验步骤---7

3 结果与讨论--7

4 结论  10

参考文献-11

致谢    --13

图清单

图序号 图名称 页码

图1-1 Li-ion 电池的结构示意图 5

图3-1 Si@ZIF-67电子扫描显微镜图3-2 Si@ZIF-67的透射电镜图 8

图3-3 Si@C的电子扫描显微镜图 8

图3-4 Si@C的透射电镜图 8

图3-5 Si的循环性能图

图3-6 Si@C的循环性能图

表清单

表序号 表名称 页码

表2-1 实验所用试剂 6

表2-2 实验所用仪器 6

1.引言

21世纪，人类社会所面临的两大主题为能源危机和环境污染。调整能源结构和开发清洁可再生能源以满足人类生产与生活的需求是科学家一直致力于的研究方向[1]。

目前，新型的可再生能源，例如风能、太阳能和潮汐能等，都需要有效的能源储存体系将这些化学能转换成电能，以此来实现能源地有效地储存和运输，从而提高能源的利用效率[2-4]。当前最具前景的能源储存体系当属锂离子电池体系，因其电压高、能量密度高、安全性好、循环寿命长等优点，自上市以来便迅速占领了市场份额。其中，小容量的锂离子电池自1992年被Sony公司商品化以来，就广泛应用于移动电话、摄像机、笔记本电脑等便携式电子设备，其技术已经非常完善与成熟。但是，随着电子设备的飞速革新，尤其是混合动力和全动力汽车的快速发展，目前的锂离子电池体系已远远不能满足人类对高能量储能设备的需求，需要加强研究，开发出具有显著性能的下一代锂离子电池，包括提高能量和体积能量密度，循环性，充电速率，稳定性和安全性。在下一代锂离子电池发展中仍然存在着显著的挑战 [5-9]。

Li-ion 电池的结构示意图如图所示。以金属锂作为正极，Si@C复合材料作为负极，其体系为液态电解质。作为锂离子电池关键之一的电极材料的研究极其重要，尤其是负极材料的研究[10]。锂离子电池的负极材料主要包括碳材料、合金材料、非金属单质、金属氧化物、硫化物以及有机化合物。碳基材料具有良好的循环能力，但是它本身比容量低以及较差的高倍率充放电性能局限了锂电池的发展。现在已经远远不能满足市场需求了[11]。而适合成为锂离子电池负极材料应当具备：在嵌入和脱出锂离子过程中，材料本身结构很少发生体积变化；不能与电解质发生反应；在充放电过程中，还原电位要尽可能的小；材料自身拥有良好的导电性能；贮存量大，成本低；无污染等[12]。而硅具有高的能量密度和比容量（4200 mAhg-1），超过石墨容量的10倍。另外，硅在地壳中含量丰富，成本低廉，环境友好，因此硅材料成为锂电池负极材料的新宠儿[13]。然而，硅在充电过程中体积膨胀高达400 %，在锂离子嵌入/脱出过程中体积膨胀导致电极材料的严重粉碎和分解导电网导致循环性能差[14-15]。此外，硅本身是半导体材料，Si粉末自身导电性差也可引起电极的极化，这阻碍了其实际应用。因此，为了减轻粉化问题并提高容量保持率，一种方法是将减小颗粒尺寸 ，比如将Si颗粒还原为纳米级，纳米Si颗粒可以缩短Li扩散路径长度并适应锂化和脱锂应变[16]。另一种方法是制备硅基复合材料， 包覆材料具有能够提高电子导电性和稳定Si负极的固体电解质界面（SEI）层的优点[17-19]。 到目前为止，已经使用了许多具有良好电子电导率的包覆材料，包括石墨烯，金属和金属硅化物，并且已经证明Si基负极材料能够改善电化学性能[20-29]。尤其是，具有无活性碳相的复合材料来减少巨大的体积膨胀，以防止纳米颗粒的团聚以在颗粒被粉碎时用作负极分子和集流体之间的电连接介质。