锑基(锡基)/碳纳米材料复合材料的制备及其电化学储锂性能研究

摘要

锡基、锑基负极材料作为锂离子电池负极材料具有比较高的理论容量，与日益增长的高能量密度储能元件的需求相一致，因此近些年来得到了热点关注。然而其脱嵌锂过程中不可避免产生较大的体积变化，使得锡基、锑基材料的循环稳定性较差，研究表明，提高其循环稳定性的主要途径有:纳米化、形成金属间化合物、与碳复合。纳米化有利于改善锂离子扩散动力学;金属间化合物中的惰性成分可以为脱嵌锂过程中提供一个分散活性中心的基体;与碳复合可以提供缓冲体积变化的基体，同时也可以利用碳材料的高电子导电率来提高复合材料的电导率且对电极材料整体容量有贡献。本文主要通过与碳材料的复合来提高锡基、锑基负极材料的电化学性能。
　　采用化学气相沉积法制备了一维Sn/CNT复合材料，该复合材料具有核壳结构。复合物中Sn具有良好结晶性，而碳则呈现无定形态。研究表明，反应温度和反应时间对反应产物的组分和形貌有一定影响，只有当两者都得到有效控制时，SnO2才能被完全地还原。在650℃下反应2h试样的Sn棒直径约为40～50nm，包覆碳膜厚度约为4～5nm厚，与纯Sn(100nm)相比，其电化学性能有显著的提高，在50mAg-1下充放电速率20个循环后，复合物仍保持在350mAhg-1，而纯Sn的容量则快速衰减至100mAhg-1。
　　采用溶剂热法制备了Sb/G复合物，复合物呈现“三明治”结构，细小的纳米颗粒Sb(50～100nm)均匀地分布在石墨烯的片层上及片层间。对Sb/G复合物及其相应的纯Sb的电化学性能作对比，可以发现石墨烯的引入显著提高了材料体系的电化学循环稳定性及倍率性能。
　　用溶剂热法原位合成了CoSb3/G、CoSb2/G、CoSb/G复合物，这类复合物均呈现“三明治”结构，细小的纳米颗粒均匀地分布在石墨烯的片层上及片层间，其中CoSb3/G中CoSb3颗粒尺寸为5～10nm，CoSb2/G中CoSb2颗粒尺寸约为20nm，CoSb/G中的CoSb颗粒尺寸为20～40nm。对Co-Sb/G复合物及其相应的Co-Sb金属间化合物的电化学性能作对比，可以发现石墨烯的引入显著提高了材料的电化学循环稳定性及倍率性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池简介

1．2．1 锂离子电池发展简史

1．2．2 锂离子电池的工作原理

1．2．3 锂离子电池的优缺点

1．3 锂离子电池的体系结构

1．3．1 正极材料

1．3．2 锂离子电池电解质

1．3．3 隔膜

1．4 负极材料

1．4．1 锡基材料的研究进展

1．4．2 锑基材料的研究进展

1．4．3 石墨烯基材料

1．5 选题依据及拟研究内容

第二章 实验方法

2．1 实验原材料

2．2 材料的物化表征

2．2．1 X射线衍射(XRD)分析

2．2．2 扫描电子显微(SEM)分析

2．2．3 透射电子显微(TEM)分析

2．2．4 拉曼光谱(Raman)分析

2．2．5 元素含量分析

2．2．6 比表面积(BET)测量

2．2．7 X射线光电子能谱(XPS)分析

2．3 材料的电化学性能测试

2．3．1 电极片的准备

2．3．2 半电池装配

2．3．3 恒电流充放电测试

第三章 棒状核壳结构Sn／CNT的电化学性能研究

3．1 引言

3．2 棒状核壳结构Sn／CNT的制备

3．3 棒状核壳结构Sn／CNT的性能表征

3．3．1 棒状核壳结构Sn／CNT的物相表征、拉曼光谱及碳含量测试

3．3．2 棒状核壳结构Sn／CNT的形貌表征

3．3．3 棒状核壳结构Sn／CNT的合成机理

3．3．4 棒状核壳结构Sn／CNT的电化学性能表征

3．4 本章小结

第四章 Sb／G复合物的电化学性能研究

4．1 引言

4．2 氧化石墨、石墨烯以及Sb／G复合物的制备

4．2．1 氧化石墨的制备

4．2．2 石墨烯的溶剂热合成

4．2．3 Sb／G复合物的溶剂热合成

4．3 Sb／G复合物及石墨烯的性能表征

4．4 Sb／G复合物的微观形貌及合成机理

4．5 电化学性能

4．5．1 石墨烯的电化学性能

4．5．2 Sb／G复合物的电化学性能

4．6 本章小结

第五章 Co-Sb／G复合物的电化学性能研究

5．1 引言

5．2 Co-Sb／graphene(Co-Sb／G)复合物的合成

5．2．1 CoSb3／G的溶剂热法合成

5．2．2 CoSb2／G的溶剂热法合成

5．2．3 CoSb／G的溶剂热法合成

5．3 Co-Sb／G复合物的性能表征及合成机理

5．3．1 Co-Sb／G复合物的拉曼光谱及XPS分析

5．3．2 CoSb3／G的物相及形貌表征

5．3．3 CoSb2／G的物相及形貌表征

5．3．4 CoSb／G的物相及形貌表征

5．3．5 Co-Sb／G复合物的合成机理

5．4 Co-Sb／G复合物的电化学性能

5．4．1 CoSb3／G的电化学性能

5．4．2 CoSb2／G的电化学性能

5．4．3 CoSb／G的电化学性能

5．4．3 CoSb／G的阻抗拟合和Li+扩散速率

5．5 本章小结

第六章 总结

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果