SbO2基薄膜电极及其电化学储锂特性

摘要

随着越来越大能源消耗，一些不可再生资源面临枯竭，能源问题正成为人们关注的重要课题之一。一方面，太阳能、生物能、风能、地热能和核能等新能源技术取得了令人瞩目的成就，而可循环的储电设备发展相对滞后;另一方面，交通运输工具所排放的废气对大气的污染愈发突显，采用一种全新的动力电池来代替现有气燃机驱动已迫在眉睫。锂离子电池作为一种储能设备已获得高度关注，高容量、超循环稳定性和安全性的电池及其材料的研究开发正成为热点。本论文就SnO2基锂离子电池薄膜电极的制备及其电化学性能开展研究，主要研究内容如下:
　　采用湿化学方法制备了Sb掺杂SnO2(ATO)粉体，添加适当的烧结助剂、经1250℃烧结制备了直径为50 mm、厚度为5 mm的磁控溅射靶材。
　　通过射频（radiao frequency, RF）磁控溅射(megnatron spputering，MS)方法制备了ATO薄膜。研究了溅射衬底温度对ATO薄膜表面形貌和微观组织结构的影响。结果表明:ATO薄膜由纳米晶组成，且随着溅射衬底温度的升高，结晶性更好、晶粒尺寸略有变大。利用X射线光电子能谱对ATO薄膜的化学价态分析得出薄膜由Sn以+4、Sb以+5价存在。
　　将沉积在Cu箔衬底上的ATO薄膜作为工作电极、以锂片为参比电极进行锂离子电池组装，测试了不同条件下的ATO薄膜电极的电化学性能。研究分析可知:不同衬底温度下的ATO薄膜电极具有类似的循环伏安特性，说明它们经历了相同的电化学过程;与衬底温度为室温和100℃相比，衬底温度为200℃的ATO薄膜具有较高的电化学容量、更好的循环性能和倍率性能;衬底温度为200℃的ATO薄膜的首次放电容量为1654 mA h/g，以电流密度为100 mA/g进行充放电测试100和200次循环后容量仍然分别保持在756和679 mA h/g。
　　利用透射电子显微技术对不同充放阶段的ATO薄膜电极的反应产物进行了分析、探究了ATO薄膜电极的储锂机理。结果表明:在首次放电过程中，SnO2被还原成金属Sn，金属Sn与Li进一步反应形成Li-Sn合金，并最终形成Li4.4Sn;在充电阶段，锂锡合金先发生脱锂过程重新生成单质Sn;当电池充电到2.0 V时，金属Sn可与Li2O发生反应、并部分氧化形成SnO2。
　　开发了一种ATO薄膜电极反应机理研究的简易实验技术，即将ATO薄膜直接沉积在具有多孔碳膜的微栅上作为锂离子电池的工作电极、参与电化学反应过程，以此研究不同充放电阶段的ATO物相演变，进而获得ATO的电化学储锂机理。结果表明，这是一种研究电极活性物质反应机理的简便有效的技术。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池介绍

1．2．1 锂离子电池的发展

1．2．2 锂离子电池的工作原理

1．3 锂离子电池负极材料

1．3．1 锡基负极材料

1．4 锂离子电池正极材料

1．5 锂离子电池电解液

1．6 锂离子电池隔膜

1．7 薄膜锂离子电池

1．7．1 薄膜锂离子电池的构造

1．7．2 固态薄膜锂离子电池的应用

1．8 本论文选题目的及主要研究内容

第二章 实验与研究方法

2．1 主要试剂及测试分析仪器

2．2 磁控溅射技术

2．1．1 磁控溅射的工作原理

2．1．2 磁控溅射的主要参数

2．2 ATO薄膜电极

2．2．1 靶材的制备

2．2．2 ATO薄膜的制备

2．3 电化学性能表征

2．3．1 ATO薄膜电极片制作与电池组装

2．3．2 锂电性能测试

2．4 材料结构与性能表征

2．4．1 X射线衍射(XRD)分析

2．4．2 扫描电镜(SEM)分析

2．4．3 透射电镜(TEM)分析

2．4．4 X射线光电子能谱(XPS)分析

第三章 ATO薄膜的结构分析

3．1 XRD分析

3．2 SEM分析

3．3 TEM分析

3．4 XPS分析

本章小结

第四章 ATO薄膜的电化学性能

4．1 ATO薄膜的循环伏安测试

4．2 ATO薄膜电极的循环性能

4．2．1 充放电曲线

4．2．3 循环性能

4．2．4 倍率性能

4．3 交流阻抗

4．4 ATO薄膜电极的反应机理

本章小结

第五章 ATO薄膜电极溅射在微栅上的直接研究方法

5．1 前言

5．2 溅射在微栅上研究方法介绍

5．3 充放电测试

5．4 TEM分析

本章小结

第六章 结论

参考文献

在读硕士期间的主要研究成果

致谢