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《深圳大学》 2017年
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锂离子电池锡基负极材料的湿化学合成及其性能研究

刘临平  
【摘要】:锂离子电池负极材料作为影响电池性能的重要因素,近年来受到了广泛的关注和研究。目前研究较多的负极材料主要包括硅基、锡基、锗基、锑基等合金及其氧化物,它们均具有非常高的理论比容量。然而这些负极材料往往因为在充放电过程中产生巨大的体积变化,导致其循环稳定性变差、容量衰减明显。因此,在获得高容量的同时,提高负极材料的循环稳定性成为了研究的重点。本文利用锡基合金或氧化物与碳复合,来制备不同结构的纳米复合材料,用以改善负极材料的电化学性能。1.通过化学还原共沉淀法制备出了SnSb合金纳米颗粒,并结合静电纺丝技术与水热法将合金颗粒分别与碳纤维(PAN)和石墨烯(RGO)进行复合,制得具有一维线状结构的PAN-SnSb复合材料和二维层状结构的RGO-SnSb复合材料。SEM及TEM观察表明,在制成的复合材料中,合金颗粒在纤维及石墨烯中分散均匀。电化学测试表明,复合后的材料很好地改善了负极材料的循环稳定性,PAN-SnSb复合材料和RGO-SnSb复合材料在循环200圈后其比容量仍有503 mAh/g和556 mAh/g。2.利用原位静电纺丝的方法,成功制备出了包覆状SnSbZn-C复合纳米纤维负极材料。材料中SnSb和SbZn纳米合金颗粒被很好地装载进了纳米纤维中,并且互相交织形成网状的特殊结构。因此,材料表现出了非常高的储锂性能及优异的循环稳定性:样品SnSbZn0.4-C在0.2 A/g电流密度下循环200次后,放电比容量仍有663 mAh/g,其对应于第二次循环的容量保持率为84%。如此高的循环稳定性可以归因于合金颗粒被包覆在了纳米纤维中,从而形成了碳纤维包覆合金颗粒的特殊结构,这种结构可以有效缓解合金颗粒在循环过程中的体积变化并防止其团聚。3.在静电纺丝制备纳米纤维复合材料的基础上,通过改变碳化过程,制备出了具有不同结构的锡锑氧化物纤维。在碳化温度为400℃、500℃和600℃时,分别形成多孔纳米纤维、中空纳米纤维与破碎的纳米管状结构。通过多种测试,分析了不同结构形成的机理。电化学测试表明,材料具有良好的充放电性能、循环稳定性、及倍率性能。在0.2 A/g的电流密度下,循环200圈后仍有730 mAh/g的容量,相对于第二圈容量保持率为76%。这得益于纳米纤维独特的多孔结构,在充放电过程中有效地缓解了体积膨胀效应、缩短了电子传输距离、保持了材料的整体性。
【关键词】:负极材料 静电纺丝 锡锑合金 锡锑氧化物 电化学性能
【学位授予单位】:深圳大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TM912;TB383.1
【目录】:
  • 摘要3-5
  • Abstract5-10
  • 第1章 绪论10-18
  • 1.1 课题研究的背景与意义10
  • 1.2 锂离子电池负极材料的研究进展10-13
  • 1.2.1 碳材料10-12
  • 1.2.2 非碳材料12-13
  • 1.3 锂离子电池负极材料的制备方法13-15
  • 1.3.1 高能球磨法13
  • 1.3.2 化学还原法13-14
  • 1.3.3 水热法14
  • 1.3.4 化学气相沉积法14
  • 1.3.5 静电纺丝法14-15
  • 1.4 锡基负极材料的改善研究15-16
  • 1.4.1 合金化15
  • 1.4.2 碳复合15-16
  • 1.4.3 锡基氧化物复合材料16
  • 1.5 研究内容及创新点16-18
  • 1.5.1 研究内容16-17
  • 1.5.2 创新点17-18
  • 第2章 材料制备与测试方法18-24
  • 2.1 实验主要试剂和仪器18-20
  • 2.1.1 实验试剂18-19
  • 2.1.2 材料制备与测试仪器19-20
  • 2.2 材料的分析与表征20-21
  • 2.2.1 X-射线衍射(XRD)20
  • 2.2.2 扫描电子显微镜(SEM)20
  • 2.2.3 透射电子显微镜(TEM)20-21
  • 2.3 电极制备与电池组装21-22
  • 2.3.1 电极制备21
  • 2.3.2 电池的组装21-22
  • 2.4 电化学性能测试22-24
  • 2.4.1 充放电测试22-23
  • 2.4.2 循环伏安测试23
  • 2.4.3 电化学阻抗测试23-24
  • 第3章 SnSb合金负极材料的改性及其电化学性能的研究24-37
  • 3.1 引言24
  • 3.2 材料的制备24-28
  • 3.2.1 锡锑合金的制备24-25
  • 3.2.2 锡锑合金与碳纤维的复合制备25-27
  • 3.2.3 锡锑合金与石墨烯的复合制备27-28
  • 3.3 结果与讨论28-36
  • 3.3.1 复合材料的结构分析28-29
  • 3.3.2 复合材料的形貌分析29-31
  • 3.3.3 复合材料的循环性能测试31-33
  • 3.3.4 复合材料的倍率性能测试33-34
  • 3.3.5 复合材料的循环伏安测试34
  • 3.3.6 复合材料的电化学阻抗测试34-36
  • 3.4 本章小结36-37
  • 第4章 包覆状SnSbZn-C复合纳米纤维材料制备及电化学性能研究37-53
  • 4.1 引言37
  • 4.2 材料制备37-39
  • 4.3 结构与形貌39-45
  • 4.3.1 XRD分析39-40
  • 4.3.2 形貌分析40-44
  • 4.3.3 组成分析44-45
  • 4.4 电化学性能分析45-52
  • 4.4.1 伏安循环分析45-48
  • 4.4.2 充放电曲线分析48
  • 4.4.3 循环性能分析48-50
  • 4.4.4 倍率性能分析50
  • 4.4.5 交流阻抗分析50-52
  • 4.5 本章小结52-53
  • 第5章 Sn0.92Sb0.08O2.04/C纳米纤维复合材料制备及其电化学性能研究53-67
  • 5.1 引言53
  • 5.2 材料制备53-54
  • 5.3 锡锑氧化物复合材料的结构与组成分析54-57
  • 5.3.1 XRD分析54-55
  • 5.3.2 XPS分析55-56
  • 5.3.3 TG与拉曼光谱分析56-57
  • 5.4 锡锑氧化物复合材料的形貌分析57-61
  • 5.4.1 SEM分析57-59
  • 5.4.2 TEM分析59
  • 5.4.3 BET分析59-61
  • 5.5 锡锑氧化物复合材料的形成机理61-62
  • 5.6 锡锑氧化物复合材料的电化学性能测试62-66
  • 5.6.1 CV曲线62-63
  • 5.6.2 首次充放电曲线63-64
  • 5.6.3 循环性能测试64
  • 5.6.4 倍率性能测试64-65
  • 5.6.5 电化学阻抗测试65-66
  • 5.7 本章小结66-67
  • 第6章 结论67-68
  • 参考文献68-76
  • 致谢76-77
  • 攻读硕士学位期间的研究成果77

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