碳复合二氧化锡基电极材料的设计构筑及电化学性能

发布时间：2020-04-19 14:53

【摘要】：环保和低碳经济的概念已经在全球范围内推广,新能源的开发和电动汽车的发展是低碳和环保的重要环节,和之相应的智能电网的构筑和电动车充电基础设施的建立也是势在必行的。新型可再生能源的存储和电能的输送、转移都需要运用锂离子电池。另外,在手机、手提电脑等各种电子产品普及的年代,锂离子电池的应用也越来越多,其性能可以说直接影响着产品质量和用户的使用体验。各种便携电子产品的快速增长,可再生能源的能量存储、环保型电动汽车的发展等都对电池的高容量、长寿命、高倍率和低价格有着强烈的需求。电池中的电极材料是电池的重要组成部分,也决定着电池最高可实现的理论容量,对电池的循环性能、倍率性能和安全性也有重要的影响。目前市场上的锂离子电池绝大部分采用石墨作为负极材料,而石墨的理论容量为372 mAh g~(-1),已经不能满足社会发展的需求了,因而,开发高容量的锂电负极材料十分必要。SnO_2负极材料一直备受关注,其理论容量高达871 mAh g~(-1),被认为是潜在的新一代高性能锂离子电池负极材料。但是SnO_2负极材料在循环的过程中存在首次库伦效率低、循环性能差的问题,主要是由于SnO_2的不可逆还原以及Sn和Li合金化过程中巨大的体积变化导致的。本课题旨在引入金属有机框架化合物(MOF)材料解决SnO_2负极材料存在的问题,设计构筑了Co/SnO_2@C纳米立方块和CNTs@SnO_2/C纳米线。本课题主要研究结果如下:(1)引入了一种简单易行、具有普适性的热固相法得到MOF壳层包覆的中间产物,再进一步碳化得到Co/SnO_2@C纳米立方块,使其集合了纳米尺度、大量的内部孔隙、金属掺杂和多孔均匀碳包覆的结构特征。基于现有电池组装和电化学测试技术,利用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等测试方法检测了Co/SnO_2@C纳米立方块作为锂离子电池负极材料的电化学性能。Co/SnO_2@C纳米立方块在200 mA g~(-1)电流密度下循环约100圈之后,容量仍高达~800 mAh g~(-1),在5 A g~(-1)的大电流密度下循环1800圈之后仍能保持400 mAh g~(-1)。Co/SnO_2@C纳米立方块优异的电化学性能归结于其结构优势:多孔碳包覆既增强了导电性也起到了抑制活性物质扩散、稳定电极结构的作用;Co金属的掺杂促进了SnO_2可逆转化的同时也贡献了容量;其纳米尺度和丰富的内部孔隙则有效地缓解了体积膨胀。(2)将SnO_2成功地复合在碳纳米管表面,构筑了负载超细SnO_2颗粒的CNTs@SnO_2/C纳米线结构,CNTs@SnO_2/C纳米线在作为锂离子电池负极材料的电化学性能测试中,在100 mA g~(-1)电流密度下循环70圈后能够释放~900 mAh g~(-1)的高容量。CNTs@SnO_2/C纳米线中CNTs的存在显著提高了电极导电性,而SnO_2超小尺寸和复合的C也极大地促进了电化学反应速率,缓解了材料内部应力。
【图文】：

锂离子电池的商业化产品根据具体用途有非常多的形式，但是所有的锂离子电池的内部基本构造相同，包括：外壳、电极（正极和负极）、隔膜、电解质，如图1-1所示[25-31]。图 1-1 商业化锂离子电池实物图及组成示意图（1） 电池的外壳作为正负极的引出端，必须是优良的导体，因此一般是金属材质，例如：不锈钢、铝制膜和铝塑膜等。铝质轻，应用于电池时的安全性也比钢材要好。目前手机电池都是采用铝制电池壳。但是铝制电池壳也有缺

的电化学反应类型分为：嵌入型、转换反应型和合金反应型，由此锂离子电池的电极材料也对应分为嵌入型、转换反应型和合金反应型电极材料。如图1-2所示，对于嵌入型电极材料来说，锂离子电池在放电的时候，由于正负极处存在锂离子的浓度差异，锂离子会通过电解质从正极迁移到负极，进入到嵌入型电极材料开放的孔道中。锂离子不改变原有材料的结构，不占据电极材料中原有的晶格位点，只是进入原子间的孔隙当中，与电极材料形成固溶体。而在充电的过程中，嵌入在负极材料中的锂离子就会在电场的作用下，，脱嵌出来，再经过电解质和隔膜，回到正极。根据锂离子在电池中运动特征，即它在正负两极之间的来回运动，锂离子电池被称为“摇椅式电池”[32-34]。对于转换反应型电极材料
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912;TB33

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本文编号：2633418