利用回收矽晶粒子與木質纖維素製備碳矽複合材料應用於鋰離子電池負極之研究

郭晉榕

doi:10.6342/NTU201701413

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利用回收矽晶粒子与木质纤维素制备碳矽复合材料应用於锂离子电池负极之研究

Carbon-Silicon Composites Prepared from Recycled Silicon and Lignocellulose for Negative Electrodes of Li-ion Batteries

郭晋榕 , 硕士　　导师：颜溪成　　

繁体中文 DOI： 10.6342/NTU201701413

锂离子电池；锂离子电池负极材料；碳矽负极材料；木质纤维素；木质素； Lithium ion batteries ； Li-ion batteries anode ； C/Si composites anode ； lignocellulose ； lignin

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摘要 │ 参考文献 (70) │ 国际计量

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Silicon has the potential to replace the graphite as the anode material for Li-ion batteries due to its high specific capacity and appropriate working voltage. However, the dramatic volume change during the Li-ion insertion and extraction has caused the poor cyclic stability. To improve the cyclic stability of Si anode, we embedded Si into a carbon matrix to form a Si-C composites. 
In this study, we employed the silicon particles recovered from the silicon ingot slicing slurries and the biomass (lignin and lignocellulose), which are by-products of pulp industry, to fabricate negative electrodes for lithium ion battery. Lignin or lignocellulose would be well mixed with Si particles by magnetic stirring and ultrasonication and then undergo a pyrolysis process to form Si-C composites. Due to different carbonaceous precursors, the composites have different structures. The pyrolyzed lignocellulose formed an interconnected structure with Si particles, which provides extra space to accommodate Si volume variation. The composite electrode exhibits outstanding cycle performance for capacity retention up to 83.4% after 51 cycles at 300 mAh/g. On the other hand, the Si particles in lignin-Si composites are coated with a carbon layer, and the layer can not only suppress the volume change but also increase the contact electronic conductivity. Besides, the SEI layer on the carbon surface would be stable. It also showed excellent electrochemical performance with an initial charge capacity up to 2286 mAh/g and retaining 880 mAh/g after 51 cycles at 300 mA/g. We hope that the utilization of renewable sources and industrial Si slurry as battery materials can be improved and applied in energy storage application.

参考文献 ( 70 ) 〈TOP〉

[1] Zhang, W.-J., A review of the electrochemical performance of alloy anodes for lithium-ion batteries. Journal of Power Sources, 2011. 196(1): p. 13-24.
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[2] Abraham, K.M., Prospects and Limits of Energy Storage in Batteries. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2015. 6(5): p. 830-844.
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[4] Wu, H. and Y. Cui, Designing nanostructured Si anodes for high energy lithium ion batteries. Nano Today, 2012. 7(5): p. 414-429.
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[5] Liang, B., Y. Liu, and Y. Xu, Silicon-based materials as high capacity anodes for next generation lithium ion batteries. Journal of Power Sources, 2014. 267: p. 469-490.
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