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Sn_xTi_(1-x)O_2固溶体锂离子电池负极材料的研究

颜景丹  
【摘要】: 随着能源危机日益临近,新能源的开发和利用已经成为科学研究的主题之一。锂离子电池作为一种重要的化学电池,在手机、笔记本电脑、数码相机以及便携式小型电器中都有广泛应用。氧化锡负极的理论容量高达781 mAh·g-1,是碳材料理论容量的2倍,作为新一代锂离子电池的负极材料具有很大的研究和应用价值,但其循环稳定性较差。与此同时,TiO2纳米颗粒尽管可逆容量偏低,但具有很高的循环稳定性。为此,本文对SnxTi1-xO2固溶体(锡基氧化物)作为锂离子电池的负极材料这一课题进行了深入的研究和讨论。 通过水热法合成了纳米级的SnO2颗粒。实验表明,在初期SnO2颗粒具有很高的储锂能力,但是随着循环的进行,容量下降迅速。经过30次循环,容量从891 mAh·g-1减小到314 mAh·g-1。这是因为在循环过程中,SnO2的晶体结构有高达259%的体积变化。这种膨胀与收缩容易引起锡微粒的团聚,会直接导致晶体结构机械性能的快速下降,从而导致金属锡结构崩溃。根据TiO2脱嵌锂可逆性高的特点,本文在实验中将Ti元素掺杂入SnO2中,将其作为循环过程中的基体,抑制体积的膨胀,保护电极材料的机械性能和储锂能力。 采用水热法制备了纳米级的SnxTi1-xO2固溶体氧化物。通过XRD、TEM、SEM和EDX对材料的结构和组成进行了研究,从而证实SnxTi1-xO2是以SnO2作为溶剂,Ti作为溶质原子形成的置换型固溶体。通过循环伏安特性表征,证实SnxTi1-xO2固溶体的储锂机理与SnO2电极相同。同时在不同温度对SnxTi1-xO2固溶体进行了热处理,进而研究结晶性对电极容量及循环性的影响。 实验结果表明,随着SnxTi1-xO2固溶体中锡含量增多(x=0.34、0.43、0.6、0.73、0.76),可逆容量增大(最大增幅500 mAh·g-1左右)。热处理温度升高,可逆容量也增加,550-C热处理的试样表现出最高的可逆容量(根据锡含量不同,首次循环的最大容量在400-800mAh·g-1之间),但循环效率不高。300℃热处理的试样容量较高且具有很好的循环稳定性。Sn0.76Ti0.24O2电极经过30次循环之后,保持有496 mAh·g-1的容量。其他锡含量稍少的电极材料在30次循环之后,保持有350-490 mAh·g-1的容量。和SnO2电极相比,循环性能有了很大的提升。


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