静电纺丝制备SnO2/C复合纳米纤维及其电化学性能研究

摘要

作为锂离子电池负极材料，碳材料具有良好循环稳定性和安全性，但是相对于其它负极材料而言，碳材料的容量较低，不足以满足日益更新的电子产品和其他便携式器件的要求。SnO2是一种极具潜力的锂离子电池负极材料，它具有很高的理论充放电容量（781 mAh/g），但是在充放电过程中巨大的体积膨胀使其循环稳定性变差。本文结合碳材料循环稳定的优点和SnO2高容量的特点，采用静电纺丝工艺技术成功制备出了直径分布均一、纤维形貌连续的SnO2/C纳米复合纤维，将其作为锂离子电池负极材料进行电化学性能测试发现该材料表现出了良好的电化学性能。
　　通过正交实验设计法进行静电纺丝制备聚丙烯腈(PAN)纳米纤维，以纤维直径大小为指标，通过控制纺丝溶液浓度、纺丝电压、溶液挤出速度和接收距离进行最优纺丝参数探索。扫描电镜(SEM)表征、纤维直径分布以及正交实验结果分析得到，在本文中静电纺丝制备PAN纳米纤维的最佳工艺参数为:PAN/DMF溶液浓度为12 wt％、挤出速度为1mL/h、纺丝电压为20 kV、接收距离为15 cm。
　　本文在最佳纺丝条件下，静电纺丝制备了SnCl4/PAN纤维，经280℃预氧化4小时以及氩气环境下高温碳化4小时，得到SnO2/C复合纳米纤维。通过SEM、XRD、XPS、SEAD、面扫描EDS对样品进行了表征，测试结果显示，700℃碳化所得复合纤维中SnO2为无定形结构，在纤维中呈均匀弥散分布。而当碳化温度升到800℃和900℃时，复合纤维变细，并且在纤维表面明显出现颗粒的析出与附着，SnO2由无定形相转变为四方相晶体，在恒流充放电过程中由于颗粒的体积变化而造成粉化、剥离，从而导致容量衰减。
　　循环伏安法、恒流充放电和交流阻抗图谱等电化学分析测试结果表明，700℃碳化所得的无定形SnO2/C复合纳米纤维相较于其它温度碳化所得纤维具有更好的电化学性能。首次充放电比容量达到1098.3 mAh/g，首次库伦效率为64.4％，在经过100次恒流充放电测试后，比容量仍然保持在380.4 mAh/g。交流阻抗测试表明，700℃碳化所得纤维具有良好的导电性。

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 锂离子电池的概况

1．2．2 锂离子电池的工作原理

1．2．3 锂离子电池负极材料的发展及其种类

1．2．4 SnO2／C复合负极材料的研究进展

1．3 纳米材料在电池上的应用

1．3．1 纳米材料

1．3．2 一维纳米材料

1．3．3 一维纳米材料的合成

1．4 静电纺丝

1．4．1 静电纺丝的历史

1．4．2 静电纺丝的装置及原理

1．4．3 静电纺丝应用

1．5 本论文的选题意义和研究内容

第二章 实验试剂、仪器及表征方法

2．1 实验仪器和药品

2．1．1 实验仪器

2．1．2 实验药品

2．2 材料表征方法

2．2．1 材料形貌表征

2．2．2 材料物相分析

2．2．3 热重-差示扫描量热分析(TG／DSC)

2．2．4 元素分析

2．3 电池性能测试评估

2．3．1 电极制作及扣式电池组装

2．3．2 恒流充放电

2．3．3 循环伏安测试

2．3．4 交流阻抗测试

第三章 静电纺丝工艺参数对PAN纤维形貌的影响

3．1 引言

3．2 PAN纳米纤维的制备过程

3．3 PAN纤维静电纺丝参数的正交实验设计

3．4 实验结果分析

3．4．1 纤维形貌及直径分布

3．4．2 正交实验结果分析

3．5 本章小结

第四章 静电纺丝制备SnO2／C纳米纤维及其电化学性能

4．1 引言

4．2 SnO2／C纳米复合纤维的制备

4．2．1 静电纺丝液的配置

4．2．2 静电纺丝过程

4．2．3 纤维的预氧化

4．2．4 纤维膜的碳化

4．3 实验结果与分析

4．3．1 原丝热重测试分析

4．3．2 纤维形貌分析

4．3．3 煅烧后的复合纳米纤维的TG分析

4．3．4 SnO2／C纳米复合纤维物相分析

4．3．5 SnO2／C纳米复合纤维XPS分析

4．3．6 SnO2／C纳米复合纤维的HRTEM表征及EDX元素分析

4．3．6 电化学性能测试

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文及参与科研项目

致谢