掺杂对二氧化锡/还原氧化石墨烯复合负极材料电化学性能的影响研究

摘要

锂离子电池因具有循环寿命长、工作温度范围宽、比容量高等优点而被广泛研究。作为锂离子电池的关键材料之一，负极材料一直是该研究领域的一个重点方向。目前商用的负极材料以石墨为主，而石墨的理论比容量仅为372mAh/g，很难广泛应用于电动汽车、大型储能产业等高能量密度要求的领域。二氧化锡材料的理论比容量很高（782mAh/g），而且具有安全性能好、价格便宜、资源丰富等优点，有希望成为下一代商用负极材料。但是，锡基氧化物材料在充放电过程中存在严重的体积效应，在脱/嵌锂过程中会发生团聚、电极粉碎等问题，从而导致其循环性能和倍率性能迅速衰减。为解决这些问题，本文通过掺杂、与石墨烯复合来改善二氧化锡材料的电化学性能。实验结果表明，该方法能够有效的缓冲活性材料的体积变化，提高二氧化锡材料的库伦效率、比容量、离子\电子的传输效率以及循环寿命。具体研究内容如下: (1)采用湿化学法制备硅掺杂SnO2/石墨烯复合材料，并对不同比例的硅掺杂SnO2/石墨烯复合材料进行电化学性能对比分析。测试结果表明，当配比量（摩尔比）为15％时，Si掺杂SnO2/石墨烯复合材料的电化学性能最优，在电流密度为0.1A/g时，循环100次之后，Si掺杂SnO2/石墨烯的放电比容量为1110.9mAh/g。在0.2、0.5、1A/g电流密度下，Si掺杂SnO2/石墨烯电极分别具有999、864、697mAh/g的高可逆放电容量。硅掺杂和石墨烯的协同效应显著增强了电极材料中的电子迁移和锂离子的扩散，从而提高了循环性能。 (2)采用湿化学法制备钴掺杂SnO2/石墨烯复合材料，并对不同比例的钴掺杂SnO2/石墨烯复合材料进行电化学性能对比分析。测试结果表明，当配比量（摩尔比）为15％时，Co掺杂SnO2/石墨烯复合材料的电化学性能最优，在电流密度为0.1A/g时，循环90次之后，钴掺杂SnO2/石墨烯的放电比容量为1157.4mAh/g。将钴掺杂到SnO2中能够明显的降低SnO2的晶粒尺寸，但不会改变SnO2的晶体结构，对其电导率和电化学性能有较大的影响。掺杂的样品颗粒尺寸的减小增强了其电子电导率，从而很好的提高了循环性能。 (3)将氧化硼添加到SnO2/石墨烯复合材料中，并对不同氧化硼添加量的SnO2/石墨烯复合材料进行电化学性能对比分析。测试结果表明，当添加量为5％时，硼掺杂SnO2/石墨烯复合材料的电化学性能最优，在电流密度为0.1A/g时，循环200次之后，硼掺杂SnO2/石墨烯的放电比容量为1084.7mAh/g。在0.2、0.5、1A/g电流密度下，硼掺杂SnO2/石墨烯电极分别具有994.2、908.2、788.2mAh/g的高可逆放电容量。氧化硼的添加能够有效的阻止SnO2纳米颗粒的团聚，同时还能提高复合材料的电导率，从而有效的提高了SnO2/石墨烯复合材料的电化学储锂性能。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2锂离子电池

1．2．1锂离子电池工作原理

1．2．2锂离子电池的特点

1．3锂离子电池负极材料

1．4石墨烯

1．4．1石墨烯简介

1．4．2石墨烯的制备

1．5．2 SnO2／石墨烯复合材料的制备

1．6 SnO2／石墨烯的改性

1．7课题的理论依据与主要内容

1．7．1理论依据

1．7．2主要研究内容

2．1实验原料

2．2实验仪器

2．3材料的表征

2．3．5热重分析

2．4极片的制作与电池的组装

2．5材料的电化学性能测试

2．5．1循环性能

2．5．2倍率性能

2．5．3循环伏安

2．5．4电化学阻抗谱

第三章石墨烯负载硅掺杂SnO2的电化学性能研究

3．1样品制备

3．2实验结果分析

3．3本章小结

第四章石墨烯负载钴掺杂SnO2的电化学性能研究

4．1样品制备

4．2实验结果分析

4．3本章小结

第五章石墨烯负载氧化硼掺杂SnO2的电化学性能研究

5．1样品制备

5．2实验结果分析

5．3本章小结

6．1总结

6．2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文