摘 要

锂离子电池是一种干净、无污染的新型能源，它具有对环境无污染、能源利用率高，使用寿命长等优点，研究热度居高不下。现在新型锂离子电池负极材料用的纳米硅（Si），它的理论比容量高达4200 mAh g^-1，相比于商业化的碳材料，它的比容量增加了十倍以上，同时还具有原材料的储量很丰富、嵌锂的电位低和安全性能良好等优点。但是，在电池充放电过程中，Si的体积膨胀达300%，会在电池中产生一定的机械应力，造成材料粉化，结构失稳，电接触减弱，严重影响了锂离子电池的循环寿命。如何克服这一弊端成为硅基负极材料的研究重点。本文利用尼龙11（PA11）替代传统的聚偏氟乙烯（PVDF）粘结剂，PA11中含有重复酰胺基团（-NHCO-），PA11分子链间会形成氢键，利用氢键的自修复功能，从而提高锂离子电池的循环寿命。

研究表明，以PA11为粘结剂的电池比容量高于以传统的PVDF粘结剂，循环性能更稳定。当负极材料中纳米硅粉、乙炔黑、PA11的质量比为3：1：1时，所制备的电池的放电循环性能最优。

关键词：锂离子电池；硅；负极材料；粘结剂；PA11；

Abstract

Lithium-ion (Li-ion) battery, a kind of green renewable energy, has great energy density, high operating voltages, long working, and also be friendly to environment. Much attention has been focused on it for a long time.Si, a kind of new anode materials that be abundant, safe and friendly to environment, has low discharge potential and high theoretical capacity up to 4200 mAh g^-1, more than ten times higher than that of commercialized graphite. However, it suffers from poor cycle stability resulting from great volumetric expansion up to 300% during lithiation and delithiation. Great internal stress and electrode destroy may arise accordingly. Consequently, the loss of electrical between Si and collector is unavoidable. To make up this weakness has been the targe of researchers. In this paper, nylon 11 (PA11) replaced the poly (vinylidene fluoride) (PVDF), which is a kind of traditional binder for Li-ion batteries. PA11 has repetitive amide groups (-NHCO-). PA11 can form hydrogen bonds between molecular chains. self-healing function of hydrogen bond, so that the structure is relatively stable, We can increase the cycle life of Li-ion batteries by hydrogen bonds for their self-healing function.

Studies have shown that Li-ion batteries using PA11 binder have higher specific capacity and greater cycle stability than that using traditional PVDF binder. When the mass ratio was 3:1:1 of nanometer silicon powder, acetylene black, and PA11, the batteries showed the best battery performance.

Keywords: lithium-ion battery；Si；anode material；binder；PA11

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 锂离子电池 1

1.1.1 锂离子电池研究现状 1

1.1.2 锂离子电池在我国的发展现状 3

1.1.3 存在的问题与对应的对策 3

1.2 锂硅电池 4

1.2.1 锂硅电池概述 4

1.2.2 锂硅电池的工作原理 5

1.3 本课题研究的目的与意义 6

1.3.1 锂硅电池所用粘结剂的使用现状 6

1.3.2 影响粘结剂性能的因素 7

1.3.3 PVDF与PA11在粘结剂使用性能方面的比较 7

第二章 高分子新型粘结剂锂硅电池的制备 9

2.1 引言 9

2.2 实验部分 9

2.2.1 实验原料及仪器 9

2.2.2 实验过程 11

2.3 测试与表征 12

2.3.1 充放电循环性能测试 12

2.3.2 电池的循环伏安测试 13

2.3.3 电化学阻抗谱 14

第三章 结果与讨论 15

3.1 循环充放电性能 15

3.1.1 Si/PVDF和Si/PA11体系循环充放电性能的对比 15

3.1.2 不同的配比对Si/PA11体系循环充放电性能的影响 15

3.2 循环伏安（CV）测试 18

3.3 电化学阻抗谱 19

第四章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2 展望 20

参考文献 21

致 谢 22

第一章 绪论

1.1 锂离子电池

1.1.1 锂离子电池研究现状

一般来说，锂离子电池^[1]主要由：正极、负极、隔膜、电解液和正温度控制端子等几种材料共同构成。锂离子电池中的正极所用的组成材料主要是过渡金属氧化物，比如钴酸锂（LiCoO₂）、镍酸锂（LiNiO₂）等；负极所用材料则是以各类碳材料为主，如石墨；锂离子电池的隔膜所用的材料则主要是以用聚乙烯或聚丙烯所制成的薄膜为材料；锂离子电池的电解液一般则是用含有多种添加剂的六氟磷酸锂（LiPF₆）等碳酸酯类有机溶液为主。

锂离子电池的正极所用的材料研究的比较多的主要是有着分层结构的镍酸锂（LiNiO₂）、LiCoO₂、三元材料（LiNi_l-x-yCo_xMn_yO₂）、橄榄石结构的磷酸亚铁锂（LiFePO₄）和尖晶石结构的锰酸锂（LiMn₂O₄），LiFePO₄的工作电压在3.3~3.4 V左右^[2]，其余几种正极的工作电压都达3.6~4.0 V这一范围。