阵列化硅纳米管的原位合成、改性及作为锂电池负极材料的充放电性能研究

硅材料具有最高的理论容量(4200 mAh/g)，同时接近碳材料的嵌锂电位，因而被认为是最有希望的新型锂电池负极材料之一。但是该材料目前还存在循环寿命差；高倍率充放电性能差；初始库仑效率低等三个急需解决的问题。针对上述问题，本项目提出在电极基板上原位生长阵列化硅纳米管，将其应用在锂电池负极材料中的新思路，进一步地，通过层层自组装的方法，利用金属纳米颗粒（Ni,Ag）的掺杂以及与碳的复合等改性手段，全面解决硅材料作为锂电池负极材料在充放电过程中体积急剧膨胀导致的负极循环性能差、高倍率充放电性能差以及初始库仑效率低等问题，并揭示相关物理化学机制。因此具有重要的科学和实际意义。

本项目利用电极基片上阵列化ZnO纳米棒/线作为模板，通过化学气相沉积技术或磁控溅射技术在ZnO表面包覆一层Si ，通过还原气氛下热处理去除ZnO模板得到了阵列化Si纳米管。通过调控ZnO阵列的形貌来调控Si纳米管的直径，密度等参数。将硅纳米管应用在锂电池负极材料中，表现出了优于块体材料的充放电性能。进一步的，利用乙炔分解包碳和共溅射等手段在硅管表面包碳形成硅碳复合纳米管阵列和对硅管进行掺杂得到复合硅基纳米管阵列。通过调控包碳和溅射的参数，来调控硅和其他组分的比例。通过上述手段，较好的解决硅基锂电池负极材料的循环性能差，首次效率低和高倍率充放电性能差等问题。通过研究阵列化Si纳米管基负极材料的充放电行为以及充放电以后的负极材料的形貌、结构、组分、价态及阻抗等变化，初步揭示了它们改善Si材料锂电池性能的物理化学机制。. 本项目共发表文章16篇，投稿1篇，其中项目负责人第一和通讯作者的10篇。申请专利2项，授权专利3项。项目内容应邀参加国际会议做邀请报告一次。前后一共7名博士和硕士生参与到本项目中，从事硅基锂电池负极材料的研究。2人毕业进入事业单位继续硅基锂电池负极材料研究，3人毕业进入企业进行相关动力汽车锂离子电池研究。本项目研究期内，项目负责人获得2013年国家自然科学二等奖一项，排名第三。国家奖中包含了本项目相关的一些前期研究成果。