碳基二氧化锡储能复合材料的制备及其电化学性能研究
发布时间：2022-01-17 11:03
在人类的日常生产生活中,能源渐渐成为我们不可缺少的一部分。因为化石能源的不可再生且储量日益匮乏,寻找可持续发展的新型能源成为当今国内外科研工作者研究的热点。锂离子电池和钠离子电池作为能量储存的关键环节,其发展越来越受到人们的关注。但是,目前所存在的负极材料无论是循环稳定性能还是容量都不能满足锂/钠离子电池在储能领域大规模的应用。因此,寻求大容量、结构稳定的材料是制备具有优异电化学性能锂/钠离子电池的关键。高比容量的电池负极材料反应机理中多包含合金化过程,在循环过程中会出现较大的体积膨胀,且导电性能比传统石墨差。针对上述所出现的问题,本文以理论容量较高的SnO2为研究对象,通过SnO2和碳基材料结合来提高电极材料的导电性能,并通过设计微观结构、利用水热合成的方法缓解了SnO2在循环过程中的体积膨胀问题。进一步改进实验方法制备了纤维状材料,实现了碳基二氧化锡材料自支撑。为轻型高容量电池负极材料的制备提供了可能。研究内容如下:（1）以锡酸钾和尿素为前驱体水热后得到空心SnO2,将所得空心SnO2...
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
LiCoO2晶胞结构示意图
东华大学硕士学位论文碳基二氧化锡储能复合材料的制备及其电化学性能研究3充电过程中，锂离子从正极经电解液传输至负极，此时电池负极表面的锂离子含量增加；放电过程相反。以传统的锂离子电池（LiCoO2为正极材料，石墨为负极材料）的工作原理为例，在充电过程中，Li+从LiCoO2中脱出，经过电解液到达负极材料后嵌入到石墨的片层中；在放电过程中Li+则反向传输。该过程中产生的电子能够在外电路传导从而使得电流能在整个闭合回路中产生。如图1.2所示。其反应方程式如下：正极反应：LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe-(1-1)负极反应：6C+xLi++xe-=LixC6(1-2)电池总反应：LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6(1-3)图1.2锂离子电池工作示意图[14]Figure1.2Schematicofprocessinalithiumionbattery[14].1.2.2锂离子电池负极材料的电化学反应机理数十年来，研究人员致力于找到成本低廉并且电化学性能优异的锂离子电池的负极材料。其中以过渡族金属氧化物[1,15]最为突出。在锂电中最常见的过渡族金属氧化物电池负极材料包括三氧化铁[16,17]、四氧化三钴[18,19]、四氧化三锰[20,21]等。而锂离子电池负极材料的反应机理主要分为以下三种：（1）脱嵌机制。脱嵌机制里最典型也最常见的材料就是石墨[22]，在充放电过程中，锂离子能够在石墨片层中可逆地进行嵌入和脱出。其电化学反应通式的表示如下：
东华大学硕士学位论文碳基二氧化锡储能复合材料的制备及其电化学性能研究6图1.3MnO@C-rGO电极的制备过程(a)及形变过程(b)[27]Figure1.3(a)PrepartionprocessofMnO@C-rGOelectrodeand(b)PhotographsofflexibleMnO-C-rGOelectrode[27].随着石墨烯的发现，石墨烯其自身柔软的片层结构和碳材料特有的导电性能使得其迅速收到了大量电化学工作者的关注。例如Zhong等[27]人通过真空沉积的方法制备了多巴胺包覆的MnO2的一维纳米线（MnO2@PDANWs），然后将其与氧化石墨烯复合后热处理得到的MnO@C-rGO复合材料。在0.2Ag-1的电流密度下，MnO@C-rGO复合材料的首圈放电比容量高达920mAhg-1，而在2Ag-1的大电流密度下循环800圈后的比容量仍然能够保持在719mAhg-1。MnO@C-rGO复合材料自身分层多孔结构和外部石墨烯及无定形碳的包裹造就了其优异的电化学性能。制备示意图如图1.3所示。石墨烯作为一种新型的碳材料[28-30]，厚度只有一个碳原子的大小，但其特殊的柔性性能使得它具有单层二维蜂窝状结构，这样独特的微观结构使得石墨烯具有超高的比表面积、广泛的离子传输途径，为其在锂离子电池中表现出优秀的电化学性能提供了结构基矗石墨烯作为锂电负极材料时，不仅边缘处能与锂离子结合，石墨烯自身的缺陷、共价位点也能与锂离子结合。但石墨烯在锂离子电池中的理论比容量依然不能达到非常优秀的水平。科学家为了充分发挥石墨烯的结构特点和导电好的优势，常常将石墨烯和其他活性材料复合[31]，来制备性能优异电池负极材料。1.2.3.2锡基材料单质Sn作为锂电的负极材料时，Sn与Li+发生合金化反应得到锂-锡合金，来实现电池可逆的充放电过程。其电化学反应过程的反应通式为：Sn+xLi++xe-=LixSn，其中0≤x≤4.4(1-9)当Sn全部生
【参考文献】：
期刊论文
[1]静电纺丝在钠离子电池中的应用研究进展[J]. 王玲,杨国锐,王嘉楠,王思岚,彭生杰,延卫. 化学学报. 2018(09)
[2]二氧化锡/石墨烯柔性电极的制备及其在锂离子电池中的应用[J]. 袁若鑫,刘新刚,张楚虹. 应用化学. 2018(07)
[3]室温钠离子储能电池电极材料结构研究进展[J]. 潘慧霖,胡勇胜,李泓,陈立泉. 中国科学:化学. 2014(08)
[4]钠离子储能电池关键材料[J]. 金翼,孙信,余彦,丁楚雄,陈春华,官亦标. 化学进展. 2014(04)
本文编号：3594615
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
LiCoO2晶胞结构示意图
东华大学硕士学位论文碳基二氧化锡储能复合材料的制备及其电化学性能研究3充电过程中，锂离子从正极经电解液传输至负极，此时电池负极表面的锂离子含量增加；放电过程相反。以传统的锂离子电池（LiCoO2为正极材料，石墨为负极材料）的工作原理为例，在充电过程中，Li+从LiCoO2中脱出，经过电解液到达负极材料后嵌入到石墨的片层中；在放电过程中Li+则反向传输。该过程中产生的电子能够在外电路传导从而使得电流能在整个闭合回路中产生。如图1.2所示。其反应方程式如下：正极反应：LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe-(1-1)负极反应：6C+xLi++xe-=LixC6(1-2)电池总反应：LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6(1-3)图1.2锂离子电池工作示意图[14]Figure1.2Schematicofprocessinalithiumionbattery[14].1.2.2锂离子电池负极材料的电化学反应机理数十年来，研究人员致力于找到成本低廉并且电化学性能优异的锂离子电池的负极材料。其中以过渡族金属氧化物[1,15]最为突出。在锂电中最常见的过渡族金属氧化物电池负极材料包括三氧化铁[16,17]、四氧化三钴[18,19]、四氧化三锰[20,21]等。而锂离子电池负极材料的反应机理主要分为以下三种：（1）脱嵌机制。脱嵌机制里最典型也最常见的材料就是石墨[22]，在充放电过程中，锂离子能够在石墨片层中可逆地进行嵌入和脱出。其电化学反应通式的表示如下：
东华大学硕士学位论文碳基二氧化锡储能复合材料的制备及其电化学性能研究6图1.3MnO@C-rGO电极的制备过程(a)及形变过程(b)[27]Figure1.3(a)PrepartionprocessofMnO@C-rGOelectrodeand(b)PhotographsofflexibleMnO-C-rGOelectrode[27].随着石墨烯的发现，石墨烯其自身柔软的片层结构和碳材料特有的导电性能使得其迅速收到了大量电化学工作者的关注。例如Zhong等[27]人通过真空沉积的方法制备了多巴胺包覆的MnO2的一维纳米线（MnO2@PDANWs），然后将其与氧化石墨烯复合后热处理得到的MnO@C-rGO复合材料。在0.2Ag-1的电流密度下，MnO@C-rGO复合材料的首圈放电比容量高达920mAhg-1，而在2Ag-1的大电流密度下循环800圈后的比容量仍然能够保持在719mAhg-1。MnO@C-rGO复合材料自身分层多孔结构和外部石墨烯及无定形碳的包裹造就了其优异的电化学性能。制备示意图如图1.3所示。石墨烯作为一种新型的碳材料[28-30]，厚度只有一个碳原子的大小，但其特殊的柔性性能使得它具有单层二维蜂窝状结构，这样独特的微观结构使得石墨烯具有超高的比表面积、广泛的离子传输途径，为其在锂离子电池中表现出优秀的电化学性能提供了结构基矗石墨烯作为锂电负极材料时，不仅边缘处能与锂离子结合，石墨烯自身的缺陷、共价位点也能与锂离子结合。但石墨烯在锂离子电池中的理论比容量依然不能达到非常优秀的水平。科学家为了充分发挥石墨烯的结构特点和导电好的优势，常常将石墨烯和其他活性材料复合[31]，来制备性能优异电池负极材料。1.2.3.2锡基材料单质Sn作为锂电的负极材料时，Sn与Li+发生合金化反应得到锂-锡合金，来实现电池可逆的充放电过程。其电化学反应过程的反应通式为：Sn+xLi++xe-=LixSn，其中0≤x≤4.4(1-9)当Sn全部生
【参考文献】：
期刊论文
[1]静电纺丝在钠离子电池中的应用研究进展[J]. 王玲,杨国锐,王嘉楠,王思岚,彭生杰,延卫. 化学学报. 2018(09)
[2]二氧化锡/石墨烯柔性电极的制备及其在锂离子电池中的应用[J]. 袁若鑫,刘新刚,张楚虹. 应用化学. 2018(07)
[3]室温钠离子储能电池电极材料结构研究进展[J]. 潘慧霖,胡勇胜,李泓,陈立泉. 中国科学:化学. 2014(08)
[4]钠离子储能电池关键材料[J]. 金翼,孙信,余彦,丁楚雄,陈春华,官亦标. 化学进展. 2014(04)
本文编号：3594615
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3594615.html
