水热法制备锡基复合材料及电化学性能研究

摘要

随着用电设备尤其是以电动汽车为代表的要求的提高,以石墨为负极材料的商业化锂离子电池已无法满足要求。锡基负极材料因为高的比容量,良好的导电性和特殊的充放电曲线已成为广泛研究的合金阳极之一。本文通过化学还原法-水热法和一步水热法分别制备出碳包覆纳米锡和石榴型SnO2@C复合阳极。通过物理化学方法和电化学手段对制备的复合阳极材料进行相应的表征,提出其在制备过程中的可控因素,同时对循环过程中的容量衰减机理进行相应的论证。
　　通过水热法在纳米Sn表面包覆一层非晶态热解碳形成碳包覆纳米Sn结构。对水热条件和后续的电极制备工艺进行相应的优化。可知填充比为60％,葡萄糖加入量为2.0g时制得的Sn@C电化学性能最好。当充放电电流为200mA/g时,100个循环之后可逆脱嵌锂容量为480mAh/g,容量保持率为60%,当充放电的电流值增大到1000mA/g,可逆容量仍然能维持404.86mAh/g。相对于纳米Sn而言电化学性能有显著的改善。这主要是因为外层碳层在锂和锡形成合金的过程中能有效的缓冲体积膨胀,维持了电极材料的结构稳定性。在电极制备工艺优化过程中,使用碳纳米管作为导电剂和原有乙炔黑相比没有明显的改善,这主要是锡基负极材料本身的导电性较好,以致碳纳米管本身的特性不能得以发挥。通过对纳米Sn和Sn@C复合材料的电化学性能表征,可知纳米Sn在循环过程中一直都处于严重的衰减状态,这主要是纳米Sn的粉化脱落造成的,经过碳包覆的纳米Sn,在循环过程中富锂态的可逆容量在不断衰减,而贫锂态的可逆容量衰减非常缓慢,这说明Sn@C复合材料在后续的循环过程中容量的维持主要来自贫锂态可逆容量。
　　一步水热法制备的石榴型SnO2@C复合材料,纳米级的SnO2均匀分散在非晶态的碳球中,在碳球的表面还包覆一层10nm左右的碳层。当尿素加入量为0.2g时制得的SnO2@C复合材料电化学性能最佳,当充放电截止电压为1.5V,电流密度为200mA/g时,100个循环后的可逆比容量为360.7mAh/g,容量保持率为67.5%。充放电截止电压增加到2.5V时,首次脱锂容量为1035.6mAh/g,首次库仑效率为64.7%,130个循环之后的脱锂容量为751mAh/g,容量保持率为72.6%。即使电流密度增大到1000mA/g,可逆容量为600mAh/g以上。电化学性能的优越得益于特殊的结构,石榴型SnO2@C复合材料在循环的过程中,分布在纳米SnO2周围的碳能缓冲体积膨胀,并能在一定程度上阻止纳米Sn的团聚长大。其次,当截止电压增加时,Li2O的可逆性增强,Li2O在脱锂后形成的O会和纳米Sn形成SnO或SnO2,SnO或SnO2在循环的过程中的团聚现象明显弱于纳米锡,因此纳米材料的小尺寸效应在整个过程中得以维持。这些因素使得石榴型SnO2@C复合材料优良的电化学性能得以长期发挥。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景

1.2锂离子电池原理

1.3锡基负极材料研究现状

1.3.1空心锡基负极研究进展

1.3.2 Sn/C复合材料研究进展

1.3.3 SnM（M-惰性单元）复合材料研究进展

1.4本课题研究内容

第2章 实验材料及研究方法

2.1实验材料及实验设备

2.1.1实验药品和材料

2.1.2实验仪器与设备

2.2材料制备及电池组装

2.2.1化学还原法-水热法制备锡基复合材料

2.2.2一步水热法制备锡基复合材料

2.2.3电池装配

2.3物理化学性能测试

2.3.1 X射线衍射分析

2.3.2扫描电子显微分析

2.3.3透射电子显微分析

2.3.4热分析

2.4电化学性能测试

2.4.1充放电测试

2.4.2循环伏安测试

第3章 化学还原法-水热法制备锡基负极材料

3.1纳米锡的合成

3.2水热法碳包覆纳米锡

3.2.1不同含量葡萄糖对碳包覆纳米锡的影响

3.2.2不同含量表面活性剂对碳包覆纳米锡的影响

3.2.3不同填充比对碳包覆纳米锡的影响

3.2.4不同类型导电剂对碳包覆纳米锡的影响

3.2.5不同含量导电剂对碳包覆纳米锡的影响

3.3本章小结

第4章 一步水热法合成锡基复合材料

4.1热处理气氛对SnO2@C的影响

4.2不同添加剂对SnO2@C的影响

4.2.1不同含量PVP对SnO2@C的影响

4.2.2不同含量CTAB对SnO2@C的影响

4.2.3不同含量尿素对SnO2@C的影响

4.2.4不同充放电截止电压SnO2@C的电化学性能表征

4.3本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

声明

致谢