铌酸锡负极材料的软化学合成及其电化学性能研究

摘要

目前，锡基材料由于其具备非常高的理论容量及无污染等诸多优势被广泛应用在锂电池电极材料领域。但是，作为典型的合金类材料，锡基材料在充放电过程中会产生严重的体积膨胀，从而造成活性材料粉碎以及结构塌陷，导致电池容量迅速衰退。这一显著缺陷对它们的实际使用造成了非常严重的局限，所以开发和拓展拥有优异循环稳定性的锡基材料具有极其重大的意义。 因此本论文采用软化学方法制备出多种形貌的SnNb2O6和Sn2Nb2O7，探索了制备工艺、形貌与产物电化学性能之间的关系。同时通过水热-热处理方法制备出Sn2Nb2O7-GO和Sn2Nb2O7-Super P复合材料，深入分析了GO、Super等碳质材料对复合材料性能提升的作用机制。具体研究成果如下： （1）通过水热法成功合成出SnNb2O6纳米簇和SnNb2O6纳米片，探究了溶液pH以及反应时间等工艺参数对产物性能的影响。实验结果表明通过降低溶液pH和延长反应时间等方式能够有效提高SnNb2O6纳米簇的性能。当溶液pH等于2且反应时间为12h时SnNb2O6纳米簇具备最好的电化学性能。同时SnNb2O6纳米簇由于其独特的多孔立体结构，能够有效缓解反应过程中产生的体积变化现象使材料具有较好结构稳定性从而表现出比SnNb2O6纳米片更高的可逆容量。 （2）采用溶剂热法制备出Sn2Nb2O7纳米晶，Sn2Nb2O7纳米板和无定形Sn2Nb2O7。实验结果证明Sn2Nb2O7纳米晶由于其较小的粒径和较好的结晶性而表现出最好的性能。相比较于Sn2Nb2O7纳米板和无定形Sn2Nb2O7，Li+离子和电荷在Sn2Nb2O7纳米晶中的传输途径最短，因此其可以快速传输到材料表面，从而加速化学反应的进行使得Sn2Nb2O7纳米晶的电化学性能得以提高。同时为了解决Sn2Nb2O7较差的电导率问题，采用GO作为碳基体通过水热-热处理法成功合成出Sn2Nb2O7-GO复合材料，其中Sn2Nb2O7纳米晶均匀分布在GO表面。在两者协同作用下Sn2Nb2O7-GO表现出比Sn2Nb2O7以及Sn2Nb2O7与GO的物理混合物（Mixture）更高的容量和更好的循环稳定性。 （3）以导电炭黑（Super P）为碳基体采用水热-热处理法制备出Sn2Nb2O7-Super P复合材料，并成功在两者之间构建Sn-C化学键。其中Sn2Nb2O7纳米晶分布在Super P的表面，Sn-C键作为电子快速迁移的通道能够加快电子迁移从而提升复合材料的电化学反应活性。对比其电化学性能发现，Sn2Nb2O7-Super P表现出优于Sn2Nb2O7以及物理混合物的容量和循环稳定性。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池概述

1.3 锂离子电池负极材料研究进展

1.4 锡基负极材料的研究进展

1.5 本课题的选题依据、主要研究内容和创新点

2 实 验

2.1 实验药品及仪器

2.2 材料分析表征方法

2.3 电池组装及性能测试

3 SnNb2O6的软化学合成及其电化学性能研究

3.1 引言

3.2 片状SnNb2O6的制备

3.3 水热法制备形貌可控的SnNb2O6

3.4 本章小结

4 Sn2Nb2O7-GO复合材料的制备及电化学性能研究

4.1 引言

4.2 Sn2Nb2O7及Sn2Nb2O7-GO复合材料的制备工艺

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 Sn2Nb2O7-Super P复合材料的制备及其电化学性能研究

5.1 引言

5.2 Sn2Nb2O7-Super P复合材料的制备工艺

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及专利成果

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