锂离子电池Sn负极和Sn@PEO负极材料表面固体电解质膜的研究

摘要

聚合物包覆层可以缓解金属锡嵌脱锂过程中的体积膨胀问题，提高锡电极表面固体电解质膜(SEI)的稳定性。虽然实验证实了聚合物包覆层可以提高负极材料的电化学性能，但是对于聚合物如何影响SEI膜的形成以及如何提高SEI膜的稳定性等方面还缺乏一定的研究。
　　本文以Sn和Sn@PEO纳米颗粒作为锂离子电池的负极材料，对它们的电化学性能和形貌变化特征进行研究，探讨聚合物包覆对电极表面SEI膜的影响。与Sn@PEO电极不同，Sn电极在电解液中浸泡后，会在其表面形成一层类似SEI膜的钝化层。在首次循环过程中，Sn和Sn@PEO电极表面SEI膜的形成过程存在很大差别，在不同的电压状态其表面出现不同的物质。
　　循环一定次数后，与单纯的Sn电极相比，Sn@PEO电极表面的SEI膜更薄、更光滑、更稳定。此外，Sn@PEO纳米颗粒并没有像单纯的Sn纳米颗粒一样发生严重的团聚粉化现象，基本上能够保持原始的形貌。X射线光电子能谱分析(XPS)表明，循环过程中，Sn电极表面SEI膜会发生破裂，使SEI膜内层有机锂盐溶解在电解质中，导致SEI膜成分不稳定。而Sn@PEO电极表面SEI膜比较稳定，其主要由两层物质构成，外层富含致密的Li2CO3等无机物质，内层主要为电解液分解产生的各种有机物。这种分层结构可以使SEI膜更加稳定，防止电解液浸入活性材料表面发生分解。其中，弹性导锂PEO聚合物和SEI膜中的有机成分还可以提高SEI膜的柔韧性，使SEI膜能够承受嵌脱锂过程中巨大的应力变化。因此，聚合物包覆的Sn电极比单纯的金属Sn电极表现出更长的循环寿命。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 引言

1．2 锂离子电池进展

1．2．1 锂离子电池发展历史

1．2．1 锂离子电池种类

1．2．2 锂离子电池的特点

1．3 锂离子电池正负极材料及电解质

1．3．1 正极材料

1．3．2 负极材料

1．4 SEI膜

1．4．1 SEI膜的特点

1．4．2 SEI膜的研究方法

1．4．3 SEI膜研究概况

1．5 研究背景与意义

第二章 Sn以及Sn@PEO纳米颗粒表面SEI膜的形成过程

2．1 引言

2．2 实验原料以及设备

2．2．1 实验原料

2．2．2 仪器设备

2．3 实验部分

2．3．1 化学还原法制备锡纳米颗粒

2．3．2 PEO包覆锡纳米颗粒(Sn@PEO)

2．3．3 电池的组装

2．3．4 电池的拆解

2．3．5 样品的形貌、结构与组成表征

2．3．6 电化学性能测试

2．4 结果与讨论

2．4．1 锡纳米颗粒的表征

2．4．2 Sn@PEO纳米颗粒的表征

2．4．3 浸泡实验对Sn电极表面SEI膜的影响

2．4．4 浸泡实验对Sn@PEO电极表面SEI膜的影响

2．4．5 Sn和Sn@PEO电极五个不同充放电状态的选择

2．4．6 Sn和Sn@PEO电极首次循环过程中CV分析

2．4．7 不同充放电状态下Sn电极表面SEI膜的分析

2．4．8 不同充放电状态下Sn@PEO电极表面SEI膜的分析

2．5 本章小结

第三章 Sn以及Sn@PEO纳米颗粒表面SEI膜的动态变化过程

3．1 引言

3．2 实验原料以及设备

3．2．1 实验原料

3．2．2 仪器设备

3．3 实验部分

3．3．1 Sn与Sn@PEO纳米颗粒的制备

3．3．2 电池的组装与拆解

3．3．3 样品的形貌、结构与组成表征

3．3．4 电化学性能测试

3．4 结果与讨论

3．4．1 Sn和Sn@PEO纳米颗粒电极的电化学性能比较

3．4．2 Sn和Sn@PEO纳米颗粒电极表面SEI膜SEM图像分析

3．4．3 Sn和Sn@PEO纳米颗粒电极表面SEI膜TEM图像分析

3．4．4 Sn和Sn@PEO纳米颗粒表面SEI膜成分分析

3．4．5 Sn和Sn@PEO纳米颗粒电极的阻抗分析比较

3．4．6 PEO包覆对Sn电极表面SEI膜的稳定性分析

3．5 本章小结

第四章 全文结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢