α-Fe2O3/SnO2异质结构与锂存储性能关系研究

摘要

在众多能源存储设备中，锂离子电池极具发展前景。材料结构的设计、电极片的制备以及电池的组装过程等众多因素对锂电池性能均会产生较大的影响。其中粘结剂作为锂离子电池电极片中的重要组成部分，能将导电炭黑、电极材料颗粒和电极集流体有效连接，保证涂膜的均匀，并在充放电过程中对正负极材料的体积变化起到缓冲作用，因此，其选择对于锂电池的电化学性能影响显著。另外，电极材料的结构设计亦是影响电化学性能的关键因素之一。例如，异质结构的构建，一方面有利于缓冲电极材料的体积变化，提高复合材料的稳定性，另一方面有利于提供更多的锂离子存储位点，实现锂离子的快速传输，发挥组分间的协同作用，提高锂电池的电化学性能。包覆导电高分子层也是目前研究的热点。此类方法有利于解决纳米粒子的集聚问题，增加电极材料的导电性和保证充放电过程中材料结构的稳定性。
　　本论文基于独特纳米片结构的三氧化二铁(α-Fe2O3)和较高理论容量的二氧化锡(SnO2)为研究对象，采用两步水热法设计合成一种新颖的雪花状α-Fe2O3/SnO2纳米异质结构复合材料，并将异质结构复合材料与碳材料复合制成三元复合材料，利用各材料的结构优势来提升电化学性能。具体的研究内容为:
　　1.粘结剂对于电池容量、循环寿命、内阻等起着重要影响。本论文探究了水溶性粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)和油溶性粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)对α-Fe2O3纳米片的电化学性能影响。结果表明，选用CMC，在电流密度100mA·g-1时，α-Fe2O3的首圈放电比容量达到1372.6mA h·g-1，首圈库伦效率为72.3％，循环和倍率性能更优。并且，循环50圈后的容量达到402mA h·g-1，库伦效率达到近98％。而选用PVDF，α-Fe2O3在循环50圈后可逆容量只有177mAh·g-1。但是，单组分α-Fe2O3循环稳定性不理想。
　　2.通过两步水热法合成了一种新颖的雪花状α-Fe2O3/SnO2纳米异质结构复合材料。与单组份α-Fe2O3相比，该复合材料的循环、倍率性能上均有提升。在电流密度100mA·g-1循环200圈后容量能达到650mAh·g-1，库伦效率达到99.5％。结果表明，两组分间良好的协同作用，有利于锂离子、电子在电解液与材料之间的扩散和传输。此部分对于二元氧化物复合负极材料结构设计，以及储能材料的机理研究有着重要的参考意义。
　　3.基于对α-Fe2O3/SnO2复合材料的结构设计、性能和导电性分析出发，直接在α-Fe2O3/SnO2复合材料表面包覆一层导电高分子聚吡咯合成三氧化二铁-二氧化锡-聚吡咯(α-Fe2O3/SnO2/Ppy)复合材料。电化学性能测试表明，经聚吡咯包覆后材料的循环稳定性、倍率性能均有所提高。其在电流密度100mA·g-1循环120圈后，容量能稳定在521.4mA h·g-1，库伦效率达到99.2％。导电高分子包覆的方法对提高复合材料的导电性、保证材料结构稳定性、提高负极材料的储锂性能表现出积极的效果。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 锂离子电池的研究概述

1．1．1 锂离子电池的研究背景

1．1．2 锂离子电池发展历史

1．1．3 锂离子电池的特点

1．2 锂离子电池结构及工作机理

1．2．1 锂离子电池的结构

1．2．2 锂离子电池的工作原理

1．3 锂离子电池负极材料概述

1．3．1 锂离子电池负极材料的特点

1．3．2 锂离子电池负极材料的分类

1．4 铁氧化物材料

1．4．1 铁氧化物的种类及特点

1．4．2 铁氧化物材料在锂电储能上的研究进展

1．5 锡基负极材料

1．5．1 锡基负极材料的种类及特点

1．5．2 锡基负极材料在锂电储能上的研究进展

1．6 论文选题与研究内容

第二章 实验装置与方法

2．1 实验主要原料及试剂

2．2 实验装置

2．3 实验表征方法

2．3．1 电池测试条件及组装

2．3．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．3 透射电子显微镜(TEM)

2．3．4 X射线衍射(XRD)

2．3．7 拉曼(RAMAN)

2．3．8 热失重(TG)

2．3．9 N2吸附脱附比表面(BET)

第三章 粘结剂对三氧化二铁纳米片锂存储性能影响的研究

3．1 引言

3．2 α-Fe2O3纳米片的制备

3．3．2 α-Fe2O3纳米片的结构表征

3．4 电化学性能测试

3．5 本章小结

第四章 三氧化二铁／二氧化锡复合材料制备及锂存储性能研究

4．1 引言

4．3 α-Fe2O3／SnO2复合材料的表征

4．3．1 α-Fe2O3／SnO2复合材料的形貌表征

4．3．2 α-Fe2O3／SnO2复合材料的结构表征

4．4 α-Fe2O3／SnO2二元复合材料的电化学性能测试

4．4．1 循环和倍率性能测试

4．5 本章小结

第五章 聚吡咯包覆三氧化二铁／二氧化锡复合材料制备及锂存储性能研究

5．1 引言

5．3 聚吡咯包覆α-Fe2O3／SnO2三元复合材料的表征

5．3．2 聚吡咯包覆α-Fe2O3／SnO2三元复合材料的结构表征

5．4 聚吡咯包覆α-Fe2O3／SnO2三元复合材料的电化学性能测试

5．4．1 循环和倍率性能测试

5．5 本章小结

全文结论

参考文献

致谢

作者和导师简介