1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来，二次锂离子电池得到世界各国广泛的的开发和应用研究，并逐步向电动汽车、航空航天等大型储能领域发展。传统的以钴酸锂为正极，石墨碳为负极的锂离子电池已经难以满足人们进一步的需求，因此如何快速提升锂离子电池的能量密度、功率密度、循环性能及安全性等技术指标称为了当今全球的研究热点之一^[1]。

锂离子电池主要由四个部分组成，即正极材料、负极材料、隔膜和电解液^[2]。其中，锂离子电池的负极材料作为储锂的主体，在电池充放电过程中实现锂的嵌入和脱嵌，在锂离子电池的发展历程来看，负极材料占着决定性的作用，尤其是碳材料代替了金属锂负极，解决了锂离子电池的安全性问题。碳材料使锂离子电池得到商品化的发展，随后研究者对各种碳材料进行研究，但是碳类材料的理论比容量低（传统石墨碳负极材料仅为372mah/g^[4]）、首次嵌锂容量低、有机溶剂共嵌等性质缺陷，决定着这一材料不能满足人们对电池的需求^[3]。因而以si、sn为代表，具有高比容量的负极材料称为当前的热点，特别是sno基材料，作为替代碳的可能的负极材料.但是这些材料的不可逆容量太大，循环性能不令人满意^[18]。经研究发现，硅基材料具有高达4200mah/g的理论比容量^[5]，此外它还具有工作电压低、安全性好、来源广泛等优点^[6]，因而受到广大研究者的关注。但是单质硅不适合直接用作负极材料，因为有以下缺点：在充放电会产生巨大的体积变化（其体积变化在300%以上）,导致电极片的在循环过程中的粉化、剥落；同时加剧与电解液中的副反应，导致电极性能的下降^[7,8]；硅的电导率低，电极反应动力学过程较慢，容易限制其比容量的发挥，倍率性能较差^[9]。

针对上述问题，研究者对硅基材料进行了改性。其中碳/氧化硅复合材料作为目前硅基负极材料的研究热点而备受关注。碳材料在充放电过程中体积变化小(lt;10％)，结构比较稳定；同时碳材料的离子和电子电导率较高；且通常具有很好地润滑性，是一类非常理想的可与硅进行复合的材料。一方面，碳缓冲骨架能有效抑制硅在脱/嵌锂过程中的体积变化，维持电极结构的稳定性：另一方面碳材料可以提高硅材料的导电性，加快锂离子在复合材料中的传输速率^[10-13]。此外，碳材料本身也具有电化学活性，可以增加复合材料的比容量。但是事实上，由于碳材料与硅材料理论比容量相差悬殊，碳材料的加入势必会导致复合材料比容量降低，但是在锂离子电池受制于正极材料比容量暂时无法大幅提升的情况下，适当降低硅负极的比容量是具有可行性的^[14]。

本文采用氟掺杂碳/氧化硅复合材料作为锂离子电池中的负极，即以nafion溶液为碳源，利用自组装法合成nafion/二氧化硅纳米复合膜。自组装膜与传统的修饰电极的方法（如共价键合法、吸附法、聚合物薄膜法以及气相沉积法）相比具有更好的稳定性。近年来，将功能化的有机单分子层和以硅为基体的器件相结合引起了人们极大的关注。有机分子一般是通过si-c、si-o或si-n键嫁接在活性硅表面上，将有机分子接枝到硅表面将赋予传统的硅材料更多新的功能，它具有许多其他表面难以比拟的优点：硅半导体是微电子工业的基础；可以通过掺杂程度调节导电状态；硅表面平整；规划学反应的副反应少^[15]。nafion是由全氟化磺酸酯构成的一种优良的阳离子交换剂。nafion膜常用作质子交换膜作为燃料电池的重要组成部分^[16]，但此次实验将用nafion溶液与sio₂自组装合成复合材料作为锂离子电池的负极进行进一步的研究。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究基本内容：以nafion溶液为碳源，利用自组装法合成nafion/二氧化硅纳米复合膜，即氟掺杂的碳/氧化硅复合材料，并对合成的材料进行表征。将该复合材料与金属锂组成半电池，利用电化学的方法检测该材料在锂离子电池体系中作为负极的容量、功率和循环特性。

2.2目标：找出氟掺杂碳/氧化硅复合材料在锂离子电池中作为负极的发展前景及应用。

2.3拟采用的技术方案及措施^[17]：

2.3.1氟掺杂碳/氧化硅复合材料的合成

3. 研究计划与安排

第1——3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需实验进程。确定方案，完成开题报告；

第4——7周：合成氟掺杂的碳/氧化硅复合材料，并对所合成的材料进行表征；

第8 ——11周：利用电化学方法检测组成锂离子电池中掺杂的碳/氧化硅复合材料电极的容量、功率和循环特性；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]刘欣，赵海雷，谢晶莹，吕鹏鹏，王可，崔佳佳.锂离子电池siox(0＜x≤2）基负极材料.化学进展. 2015, 27, 336.

[2] 吴宇平，万春荣，姜长印,等.锂离子二次电池[m]．北京：化学工业出版社，2002：9-145．

[3] 贾志涛.硅基负极材料的制备及性能研究.浙江工业大学.2013.03.

[4]zhang w j.a review of the electrochemical performance of alloy anodes