锂离子电池多孔锡基负极材料结构设计及电化学性能研究

发布时间：2020-07-30 09:08

【摘要】：锂离子电池锡基负极材料,具有环境友好、理论比容量高等优势。然而,锡基负极材料存在循环过程中巨大的体积变化,导电性很差,表面很容易形成不稳定的固体电解质膜(SEI)等问题。针对上述问题,本论文提出引入多孔结构和碳导电网络,设计并制备了三种不同结构的多孔锡基负极复合材料。用软模板经一步水热法及碳化处理制备出多孔二氧化锡/锡/碳复合材料(p-SnO2/Sn/C)。5 nm的SnO2/Sn粒子嵌入到有序介孔碳骨架中,不仅能够缓解SnO2/Sn粒子的体积膨胀,也为锂离子提供三维传输通道,并有效地提高电极材料的电子导电性,确保在其表面形成稳定的SEI膜。因此,p-SnO2/Sn/C具有优异的长循环性能。经水热、冷冻干燥及高温热处理制备出二氧化锡/碳纳米管-石墨烯复合材料(SnO2/CNT-GN)。CNT和GN形成三维内联网络,弹性GN和高机械性能的CNT协同提供快速的电子转移路径,辅助电子快速达到Sn02表面。因此,Sn02/CNT-GN负极材料表现出更好的循环性能和倍率性能。将SnO2自组装在多壁碳纳米管表面,再在其表面原位生长聚苯胺,制得一维共轴聚苯胺@二氧化锡@多壁碳纳米管复合材料(PANI@SnO2@MWCNT)。PANI弹性层、MWCNT缓冲层以及孔道结构可有效缓解SnO2的体积膨胀,并增加电极的导电性。因此,PANI@SnO2@MWCNT负极材料在不添加导电剂的情况下表现出良好的循环稳定性及较高的倍率性能。
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.4;TM912
【图文】：

高于１邋ｐｐｍ，因为金属锂片在水氧含量高的环境中非常活泼容易变质。手套箱里面水氧逡逑含量氋低会直接影响材料性能。２０３２型扣式电池组成部分包括：正负极电池壳、电极片、逡逑隔膜、电解液、金属锂片、弹簧片、钢片等，其组装简图可如图２－１所示。正负极电池逡逑壳的封合处有橡胶圈，两个电极壳合在一起可以形成密闭的内部空间，隔绝空气，为锂逡逑离子电池工作提供一个良好的密闭环境。电极片是测试对象，在电池内部就可以对其多逡逑种电化学性能进行测试，比如：循环性能，倍率性能等等。隔膜的主要作用是把正负极逡逑分开，只容许锂离子通过不容许电子通过。电解液的目的一方面是提供初始的锂离子及逡逑锂离子运输环境，另一方面是为整个锂离子电池提供反应场所。锂金属片在电池里面不逡逑但充当参比电极和对电极，还向电解液中提供锂离子。弹簧片和钢片的主要作用是帮助逡逑锂金属片和电极材料接触良好，保证材料在充放电时充分反应。逡逑２０逡逑

３．３实验结果与讨论逡逑３．３．１材料制备分析逡逑图３－１展示了邋ｐ－Ｓｎ０２／Ｓｎ／Ｃ复合材料的制备过程。第一步，将ＰｌｕｒｏｎｉｃＦ－１２７（软模板逡逑和造孔剂）溶于去离子水中，再将ＳｎＣＷ５Ｈ２０与之混合形成均匀的混合物。接下来，通逡逑过搅拌和超声将一水葡萄糖均匀分散在上一步的混合溶液中。该过程中，三嵌段共聚物逡逑Ｐｌｕｒｏｎｉｃ邋Ｆ－１２７的环氧乙烷单元与水解ＳｎＣｌ４＿５Ｈ２０的羟基及葡萄糖自组装形成葡萄糖逡逑／Ｓｎ（０Ｈ）４／三嵌段共聚物胶束［Ｍ］。在后续的水热处理过程中，葡萄糖脱水生成低聚糖和一逡逑些芳香族化合物。同时，Ｓｎ０２／炭质多糖前驱体复合材料转变为有序液晶相复合物，并逡逑与Ｐｌｕｒｏｎｉｃ邋Ｆ－１２７进一步组装。水热后形成的Ｓｎ０２纳米晶颗粒均匀分布在有序多孔相中。逡逑最后，通过热解除去ＰｌｕｒｏｎｉｃＦ－１２７，形成了有序多孔碳骨架，骨架巾均匀分布Ｓｎ０２／Ｓｎ逡逑纳米粒子。少量的Ｓｎ是由于Ｓｎ０２在高温下发生碳热还原反应而形成的。逡逑Ｏｒｄｅｒｅｄ邋ｃａｒｂｏｎ邋Ｐｏｒｅｓ逡逑Ｇｌｕｃ0ｓｅ／Ｓｎ（ＯＨ）４逦ＳｎＯ．／Ｓｎ＾Ａ逡逑Ｓｎ０２／ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ邋Ｐ－ＳｎＯ’／Ｓｎ／Ｃ逡逑Ｐｌｕｒｏｎｉｃ邋Ｆ－１２７邋Ｍｉｘｔｕｒｅｓ邋Ｐｏｌｙｓａｃｃｈａｒｉｄｅ邋ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ逡逑图３－１邋ｐ－Ｓｎ０２／Ｓｎ／Ｃ复合材料的制备示意图，（１）、（２）和（３）分别代表溶解、水热处理和高温热处理逡逑３＿２．２邋ＸＲＤ邋分析逡逑首先通过Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）测试

逑锡相的形成是由于在高温热处理过程中发生了邋Ｓｎ０２的碳热还原反应而将二氧化锡转变逡逑成了锡。图３－２巾Ｓｎ０２对应的衍射峰明显较宽宽，表明该晶粒尺寸较小。用Ｓｃｈｅｒｅｒ方逡逑程（Ｄｈｋ尸Ｏ．９ａ／Ｂ．ｃｏｓ０）计算了（１１０）、（１０１）、（２１１）和（２００）峰对应的Ｓｎ０２晶粒的平均尺寸，逡逑平均直径约为４．２邋ｎｍ，这与透射电镜的结果基本一致（见下文图３－４）。另外，与Ｓｎ０２／Ｓｎ／Ｃ逡逑相比，ｐ－Ｓｎ０２／Ｓｎ／Ｃ显示出更强的Ｓｎ峰，这意味着ｐ－Ｓｎ０２／Ｓｎ／Ｃ中Ｓｎ的结晶度更高，逡逑可能是因为Ｐｌｕｒｏｎｉｃ邋Ｆ－１２７的加入。在Ｓｎ０２／Ｓｎ／Ｃ的ＸＲＤ图谱中，Ｓｎ衍射峰很弱，表逡逑明Ｓｎ０２／Ｓｎ／Ｃ样品中Ｓｎ含量较低。这两个样品的图谱中均不见碳的峰，是由于热处理逡逑温度较低，形成的碳是无定形碳。ｐ－ＳｎＣＶＳｎ／Ｃ的特征峰位与Ｓｎ０２／Ｓｎ／Ｃ的特征峰位基逡逑本相同，表明Ｐｌｕｒｏｎｉｃ邋Ｆ－１２７只是促进有序多孔碳基体的形成，而不改变Ｓｎ０２和Ｓｎ相。逡逑：＾Ｅ７１逦Ｉ邋？邋ＳｎＯ

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本文编号：2775330