碳微球/锡基复合核壳结构锂离子电池负极材料的研究

摘要

近几十年来，随着科技不断进步，越来越多的电子产品出现在人们日常生活中，电子产品的普及化及民用化使人们对电子产品的储能设施提出了更高的要求，锂离子电池由于具有优异循环性能以及无记忆效应等优势成为目前市场上应用最多的储能设备，也是迄今为止研发技术最成熟的储能设备之一。而作为锂离子电池四大组件之一的负极材料的特性直接影响着锂离子电池的性能，其中的碳基材料是迄今为止商业化最成功的负极材料，但由于其有限的理论比容量无法满足如今大功率、高容量电子设备的需求，发展受限。锡基负极材料具备较高的理论比容量，现已成为锂离子电池负极材料的重点研究对象之一，但在多次循环充放电过程中，锡基负极材料容易引起较大的体积膨胀/收缩，从而导致锂离子电池的循环稳定性较差，容量保持率较低。因此，解决碳基负极材料低比容量的问题、克服锡基负极材料在循环过程中产生的大体积变化率问题成为目前的研究热点。本文采用水热法制得高容量碳材料，通过溶剂法将纳米化和复合化两种优化理论结合，设计合成具有核壳结构的碳微球/锡基复合材料，从而改善单相锡基负极材料的循环性能。具体研究内容如下： (1) 以蔗糖为碳源，未添加辅助试剂条件下，利用一步水热法成功合成微米级碳微球(Cs)。XRD结果表明，Cs是由无定形结构碳组成，纯度高，无其他杂质元素；S EM和粒度分析发现，合成的 C s 形貌均一、粒径分布窄，具有优异的单分散性，分别在160 ℃和180 ℃两个温度下合成了平均粒径为1.2μm和1.84μm的Cs，Cs产率最高可达35%；通过进一步探索理想Cs的合成实验条件，研究了Cs的形成机理。 (2) 利用热处理和表面活性剂改性 Cs，合成了高导电亚微米级、纳米级的碳材料，考察了其作为锂离子电池负极材料的电化学性能。研究发现，热处理使微米级C s的石墨化程度明显增大，有效改善了碳材料的导电性；表面活性剂C TAB和PVA则可有效控制Cs的生长，合成出亚微米级约400 nm、纳米级约90 nm的Cs。电化学测试表明，热处理后的 C s 表现出更好的比容量和循环性能，且粒径越小碳材料的比容量越高、循环性能越好；纳米级碳材料50次循环后容量仍保持有498.6 mAh/g。 (3) 以合成的单分散微米级Cs为载体，采用溶剂热法在其光滑表面复合二硫化锡(SnS2)纳米片，合成出了核壳结构C@SnS2负极材料，Cs并未影响SnS2的晶体结构。该核壳结构负极材料的纯度高、结晶性良好，壳层为厚度约200 nm、以S nS2纳米片为基元交联自组装的网状结构，测试表明核壳结构的C@S nS2复合材料具有较纯相 S nS2更高的比容量和良好的循环性能， C s 的引入以及核壳结构的出现有效地改善纯相S n S2材料的储锂性能。 (4)将 C@SnS2核壳结构复合材料经过高温煅烧，一步合成出了保持有核壳结构的C@SnO2复合材料。研究表明，C@SnS2被充分氧化成为C@SnO2复合材料，其核壳结构的壳层由50 nm左右的纳米粒子组成，将其组装电池后测试发现，该材料具有较高的首次可逆放电比容量(900 mAh/g)，但循环性能较差，说明在多次循环过程中，材料产生了较大的体积变化破坏了材料的结构，从而影响了其循环性能。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2锂离子电池概述

1.3锡基锂离子电池负极材料

1.4锂离子电池负极材料的改性

1.5锂离子电池负极材料制备方法

1.6论文研究目的、意义及内容

第二章 微米级碳微球载体的制备及表征

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第三章 碳微球改性及其电化学性能研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 核壳结构碳微球/二硫化锡(C@SnS2)的制备

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章 核壳结构C@SnO2的合成及电化学性能研究

5.1引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4本章小结

第六章 论文总结

参考文献

致谢

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