不同Sn含量无定形Sn/C纳米纤维负极材料的制备及其性能优化

摘要

随着社会的发展以及科技水平的进步，人们对能源的需求不断提高，对石油资源的依赖性也不断增加。但是由于石油资源是有限的，并且石油材料燃烧所造成的环境污染日益严重，使得如何解决能源问题成为现在社会的主要课题。在各种各样的化学电源中，被称为“绿色化学电源”的锂离子电池由于其环保性、高比容量、高安全性、寿命长等方面的优势成为了现在以及将来化学电源的研究重点。为了满足需求，各国学者都致力于研究具有较高的比容量（990mAh·g-1）的锡基材料，以代替传统的碳基负极材料。但是单质Sn的负极材料在充放电过程中容易发生较大的体积膨胀，导致材料发生粉化、失活等现象，这成为了阻碍其大范围使用的最大障碍。
　　 本实验利用静电纺丝工艺制备纳米纤维，再经过热处理工艺处理制成无定形Sn/C纳米纤维复合材料。为了研究不同Sn含量以及不同碳化温度对材料形态、晶体结构以及电化学性能的影响，我们使用了场发射扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、示差量热扫描法(DSC)、高分辨透射电镜(HR-TEM)、X-射线能量分散分析(EDX)和热失重(TG)等手段，并对其应用于锂电池的电化学性能进行测试。研究表明随着Sn含量的增高，纤维直径变粗、纤维石墨化程度变高，单质Sn由无定形态逐渐转化为纤维表面较大球形颗粒的结晶态，纤维的结构稳定性逐渐降低。在850℃碳化时，当Sn含量为21％-23.7％时，无定形态的Sn/C纳米纤维负极材料拥有较好的比容量(555.1mAh·g-1)以及良好的倍率性能，充放电结束后纤维状结构保持较为完整。因此我们认为，纳米纤维结构与Sn含量具有协同效应。在对碳化温度进一步探讨后，我们发现700℃碳化的Sn/C纳米纤维具有最佳的电化学性能(580.3mAh·g-1)，其中Sn元素以无定形态均匀分散在纤维内部，并且拥有良好的倍率性能。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 锂离子二次电池的介绍

1．1．1 锂离子电池发展历史

1．1．2 锂离子电池的原理及特征

1．1．3 锂离子电池的发展现状与展望

1．1．4 锂离子电池相关材料

1．2 锂离子电池负极材料

1．2．1 碳负极材料

1．2．2 锡基负极材料

1．2．3 锡基负极材料的纳米化、复合化改性

1．2．4 静电纺丝法制备Sn／C纳米纤维负极材料

1．3 静电纺丝相关研究

1．3．1 静电纺丝法原理及设备

1．3．2 影响静电纺丝的因素

1．4 本课题的研究内容，目的和意义

第二章 实验部分

2．1 实验所用试剂与材料

2．1．1 实验试剂

2．1．2 电池材料

2．2 仪器

2．3 Sn／C纳米纤维复合材料的制备

2．3．1 纺丝液配置

2．3．2 静电纺丝

2．3．3 预氧化

2．3．4 碳化

2．3．5 参比样品的制备

2．3．6 制备电池

2．4 表征手段

2．4．1 纳米纤维的形貌结构表征

2．4．2 纳米纤维的晶相结构表征

2．4．3 纳米纤维的元素组成分析

2．4．4 样品的电化学性能测试

第三章 结果与讨论

3．1 不同Sn含量Sn／C纳米纤维的结构与性能

3．1．1 Sn／C纳米纤维中Sn含量的测定

3．1．2 Sn／C纳米纤维的微观形貌的研究

3．1．3 Sn／C纳米纤维晶相结构的研究

3．1．4 不同Sn含量Sn／C纳米纤维负极材料电化学性能

3．1．5 Sn／C纳米纤维循环后的形貌表征

3．2 不同碳化温度的负极材料的结构与性能

3．2．1 不同碳化温度负极材料的纤维形貌

3．2．2 不同碳化温度负极材料的晶相结构

3．2．3 不同碳化温度负极材料的循环性能测试

3．3 优化样品的结构与倍率性能探讨

3．3．1 优化样品的Sn含量测定

3．3．2 优化样品中元素分布及HR-TEM研究

3．3．3 优化样品的倍率性能测试

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

导师及作者简介

导师简介

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