锡氧化物/碳纳米纤维锂离子电池负极材料的铜掺杂改性研究

摘要

长期以来，石墨碳材料都被用作商业化锂离子电池的负极材料，但是石墨的理论比容量只有372mAh·g-1，越来越不能满足日益增大的需求。为了适应电子设备越来越轻量化、小型化的发展趋势，开发高比容量、高能量密度的锂离子电池已经成为迫在眉睫的任务。锡基材料以其高比容量被认为是一种理想的替代品，但是其在循环过程的巨大体积膨胀导致的电极粉化使得其循环寿命不佳，导电性不好导致倍率性能不加，实际应用受到极大限制。
　　本实验利用静电纺丝结合预氧化、碳化的方法制备了过渡金属元素掺杂锡氧化物/碳纳米纤维，通过改变不同掺杂元素、不同掺杂比例、不同前驱体量、不同碳化温度、不同碳化时间等条件，观察形貌结构的变化以及比较其电化学性能，筛选出了拥有最佳性能的负极材料。研究发现，在掺杂元素为铜，铜的掺杂量为20％（相对于锡是质量百分比），700℃下碳化1小时的情况下得到复合材料具有最佳的可逆容量、最好的倍率性能以及最稳定的长循环性能。锡氧化物和铜氧化物均匀地分布在碳纳米纤维中，纤维表面光滑无颗粒，内部也看不到任何晶体，此时锡氧化物和铜氧化物都以无定形形式存在。在200mA·g-1的电流密度下，掺杂量为20％Cu的SnOx/CNFs拥有743mAh g-1的可逆容量，高于SnOx/CNFs的652mAh·g-1;在5A·g-1的电流密度下，掺杂量为20％Cu的SnOx/CNFs的放电比容量高达347mAhg-1，比SnOx/CNFs比容量(214mAh g-1)增加了62％;在2A g-1的电流密度下经历1000次的长循环之后，掺杂量为20％Cu的SnOx/CNFs仍然保留了411mAh g-1的放电比容量，而SnOx/CNFs的比容量已经衰减至244mAh g-1。如此高的可逆容量、倍率性能和长循环性能主要归功于以下原因:电化学反应过程中生成的纳米铜颗粒能催化Li2O分解，促进Sn重新氧化成SnOx的过程;纳米铜颗粒可以提升材料的导电性;纳米铜和氧化锂共同形成的基质能够缓冲锡的体积膨胀，抑制锡颗粒团聚;碳纳米纤维起到了分散颗粒和提供导电基质的作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池的介绍

1．2．1 锂离子电池的发展

1．2．2 锂电池的主要组分和原理

1．3 碳基负极材料

1．3．1 碳基负极材料的分类

1．3．2 碳基负极材料的改性

1．4 锡基负极材料

1．4．1 锡单质及锡氧化物

1．4．2 锡基负极材料的改性

1．5 过渡金属氧化物负极材料

1．5．1 转换反应机理的过渡金属氧化物

1．5．2 插层机理的过渡金属氧化物

1．6 元素掺杂改性

1．7 本论文的研究目的，内容和意义

第二章 实验部分

2．1 实验用的主要药品及仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 制备纳米纤维复合材料

2．2．1 纺丝液的配制

2．2．2 静电纺丝

2．2．3 预氧化

2．2．4 碳化

2．3 材料的表征

2．3．1 扫描电子显微镜分析

2．3．2 透射电子显微镜分析

2．3．3 X射线衍射

2．3．4 拉曼光谱

2．4 材料的电化学性能测试

2．4．1 CR2025纽扣电池的制备

2．4．2 充放电测试

2．4．3 循环伏安测试(CV)

2．4．4 电化学阻抗测试(EIS)

第三章 结果与讨论

3．1 不同掺杂元素对锡氧化物／碳纳米纤维结构与性能的影响

3．1．1 不同掺杂元素对锡氧化物／碳纳米纤维结构的影响

3．1．2 不同掺杂元素对锡氧化物／碳纳米纤维电化学的影响

3．2 不同掺杂比例对锡氧化物／碳纳米纤维结构与性能的影响

3．2．1 不同掺杂比例对锡氧化物／碳纳米纤维结构的影响

3．2．2 不同掺杂比例对锡氧化物／碳纳米纤维电化学性能的影响

3．3 不同碳化温度对锡氧化物／碳纳米纤维结构与性能的影响

3．3．1 纤维形貌

3．3．2 晶型结构

3．3．3 表面微观分析

3．3．4 电化学性能

3．4 不同碳化时间对锡氧化物／碳纳米纤维结构与性能的影响

3．4．1 不同碳化时间对锡氧化物／碳纳米纤维结构的影响

3．4．2 不同碳化时间对锡氧化物／碳纳米纤维电化学的影响

3．5 铜掺杂对锡氧化物／碳纳米纤维电化学性能影响的原理

3．5．1 形貌结构

3．5．2 表面微观结构分析

3．5．3 循环伏安曲线

3．5．4 长循环测试

3．5．5 交流阻抗谱

3．5．6 长循环后的内部形貌

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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