结构型二氧化锡基纳米纤维的制备及其储锂性能研究

摘要

二氧化锡纳米纤维材料是目前最具潜质的锂离子电池负极材料之一，其在拥有较大可逆容量的同时，还具备线状的有序构型及较大的比表面积，允许电子沿轴向传输并赋予锂离子更多的传输路径。虽然一维材料优势明显，但二氧化锡在锂电循环过程中产生的体积膨胀及粉化等问题依然不能有效解决。近年来，对二氧化锡纳米纤维负极材料进行掺杂改性并构建特殊形貌结构被认为是有效稳定电极的方法。本论文以SnO2纳米纤维为研究对象，借助水热合成法、静电纺丝和后续热处理技术，制备碳包覆SnO2纳米纤维及TiO2掺杂SnO2纳米纤维，并将其用作锂离子电池负极材料。具体研究工作如下：
　　（1）采用水热合成法为中空SnO2纳米纤维进行碳包覆,并控制水热条件参数调控碳层分布及碳层厚度。结合包覆后形貌、晶型结构和比表面积的表征，评价其作为锂离子电池负极的锂电表现。结果表明，碳层分布主要影响锂电材料容量保持率，而碳层厚度主要影响锂离子的脱嵌过程。对中空SnO2进行双面碳包覆的样品具有最稳定的电化学性能，在循环80圈后容量保持在704.6 mAhg-1且容量保持率为68.2％。
　　（2）以结晶四氯化锡和醋酸锡分别为SnO2前驱体，PAN为碳前驱体，利用SnO2前驱体在DMF中的溶解度差异，并以PMMA为制孔剂和相分离诱导物，利用单针头静电纺丝装置，制备了呈相分离并孔结构不同的C/SnO2纳米纤维。以此为据，利用同轴静电纺，制备了分别以均匀型多孔和通道型多孔SnO2为壳层，碳和多孔碳为芯层的核壳结构C/SnO2纳米纤维。结果表明，以单针法制备中，以醋酸锡为前驱体的样品具有最大的比表面积及稳定的容量保持率（89.9%），在同轴法制备中，芯层为多孔碳的样品的容量保持率均高于以碳为芯层的样品。
　　（3）以结晶四氯化锡和钛酸正啶酯分别为SnO2前驱体和TiO2前驱体，制备具有不同前驱体比例的SnO2/TiO2纳米纤维，并将其应用到锂离子电池负极和光催化降解染料中。结果表明，当SnO2和TiO2前驱体比例为3:2时，纳米纤维呈现出金红石型TiO2和锐钛矿型TiO2晶相并存的状态，其具有最稳定的储锂性能，80圈后的容量保持率为75.4%，在降解亚甲基蓝溶液中也表现出优异的光催化活性，即光催化10min后亚甲基蓝溶解液的降解率已达到79.5%。