基于自组装均聚物模板的自缓解型硅电极材料的构筑及其衰退机理研究

Silicon anodes have limited applications because silicon’s volume changes upon insertion and extraction of lithium, which results in pulverization and capacity fading. And shape control of electrode active materials can solve this kind of problem. Taking into account various fabrication issues, cost, and safety, a process with an appealing alternative and forming certain types of patterning by homopolymers is provided. This project is expected to develop a high-performance electrode with minimized ohmic resistance by forming a homopolymer pattern of Cu foil as a current collector, forming patterned metallic seeds on the current collector by electroplating, forming a patterned Si electrode via vapor deposition according to the shape of the surface (contour coating), and modifying the surface of the electrode, represents one of the most promising solutions. In this way, the adhesion between the silicon and the substrate beneath was increased due to the increase of interfacial area via forming of silicon dome films. Moreover, patterned Cu/Si films were tested as electrodes for hybrid supercapacitors and their degradation mechanism and the interfacial mechanism of homepolymer patterns were studied. Most important, this kind method can be applied to large scale pruction, which is comparable to commercial values.

电极材料硅在循环过程中，由于剧烈体积变化引起电极体积膨胀、容量衰竭的问题，使其在应用方面受到了极大的限制。而开发有序排列的电极微观结构可有效缓解其在充放电过程中的体积变化。考虑到各种制造问题，成本和安全性，本课题旨在研究一种有吸引力的新型的模版方法，即通过自组装均聚物模板来控制活性材料的结构。该项目拟开发一种高容量且长寿命的硅电极材料。拟利用均聚物模板在基板上镀上铜金属粒子矩阵，再通过气体沉降法镀上一层适当厚度的硅膜。通过增加硅与基板的粘结力和硅层的结构间隙来克服上述体积膨胀及易破碎脱落损耗等弊端。具有模板结构互逆的自缓解型硅电极的制备过程就是该课题的关键技术所在。此外，还将对均聚物模板形成的界面机理和硅电极各项电化学性能及其衰退机理进行深入的研究。最重要的是，此均聚物模板可以大批量、大面积的生产且其应用范围，并不仅限于半导体材料，具有极高的商业价值。

电极材料硅在循环过程中，由于剧烈体积变化引起电极体积膨胀、容量衰竭的问题，使其在应用方面受到了极大的限制。而开发有序排列的电极微观结构可有效缓解其在充放电过程中的体积变化。本项目通过改进的相分离方法高效地制备具有海绵状多孔结构的大尺寸均匀聚合物模板。四氢呋喃和甲醇的混合物，用作高挥发性溶剂/非溶剂对，对诱导相分离至关重要，从而确定产生的结构。获得的多孔结构由大小为50到100纳米的混合棒和直径约200纳米的凸起组成，显示出类似鸟巢的形态。通过改变混合物的组成，可以很好地控制多孔膜的孔径和孔隙率。此外，通过在相分离过程之前使用水溶性夹层，所获得的多孔膜即使具有非常大的面积，也可以很容易地与固体基质分离，而不会损坏膜。值得注意的是，它在底部有一个无皮层，在那里它与层间表面接触。研究了海绵状多孔结构的形成机理，发现甲醇在蒸发过程中的逐步富集有利于将空气中的水蒸气吸收到溶液中，从而实现相分离。此外，溶剂和非溶剂的水溶性混合物，可以延迟液-液除雾过程，是形成海绵状多孔结构的必要条件。.另一方面，该项目开发出具有上述模板结构互逆的自缓解型的硅电极材料。本研究所提出的锂离子超级电容器(LIC)制造方法通过使用聚合物微孔模板制备的硅电极材料，可维持电池的高电压，从而延长锂离子和活性材料之间的可逆反应。因此，LIC的初始容量约为42 F/g，即使是60 F/g。LICS也表现出良好的循环性能，约15000次循环。此外，这些进步使得能量密度比其他现有的电容器系统高得多。所设计的锂离子电池的能量密度分别比电化学双层电容器（EDLC）、活性炭（AC）/ LiMn2O4和Si/AC-LiC混合电容器的能量密度高9倍、2倍和1.5倍。最重要的是，此均聚物模板可以大批量、大面积的生产且其应用范围，并不仅限于半导体材料，具有极高的商业价值。