锂离子电池Sn基负极材料研究进展

发布时间：2019-08-17 22:01

【摘要】：综述了锂电池用Sn基负极材料近年来的发展现状,着重讨论了Sn基氧化物、Sn基复合氧化物、Sn基合金以及Sn基复合物等Sn基负极材料的制备方法、性能特点、存在问题以及改善途径。指出单一方法难以全面改善Sn基负极材料的性能,综合运用结构优化、成分控制、掺入基质以及优化还原剂、黏合剂和电解质添加剂等途径才能更好地改善Sn基负极材料的电化学性能。最后,对Sn基负极材料的研究趋势进行了展望,并指出以石墨烯为基质的Sn基复合材料是今后研究的重要方向。
【图文】：

基底,薄膜,无定形,电极

小的Ｓｎ基复合氧化物粉末，粉末呈典型的无定形玻璃体结构。经测试，电极在循环充放电过程中，无定形网状结构起到了缓冲介质的作用，减轻了合金化反应引起的体积膨胀，提高了电极的循环稳定性。另外，包括Ｌｅｅ等［２１］，Ｚｈｏｕ等［２２］制备的Ｓｎ基复合氧化物材料，均是利用无定形这种特殊的结构维持电极的结构稳定性，以达到提高电极循环性能的目的。Ｙｕ等［２３］在Ｃｕ箔基底上采用静电雾化沉积法制备出４种特殊的多孔、多层、笼状结构的Ｓｎ基材料颗粒，如图１所示。研究表明，在０．５Ｃ条件下，三元Ｌｉ２Ｏ－ＣｕＯ－ＳｎＯ２电极首次不可逆容量损失仅为１７．６％，经１００次循环后最高的可逆容量保持在１１５８．５ｍＡ·ｈ·ｇ－１，且倍率性能良好。Ｌｉ２Ｏ的引入可以抑制Ｌｉ－Ｓｎ合金颗粒的团聚，同时ＣｕＯ的引入可以扩大电压范围，使更多的Ｌｉ与Ｓｎ结合，特殊的多孔结构提高了电极与电解质的接触面积，缩短了电子和锂离子的输运距离，抑制了充电／放电过程中电极的体积形变。图１在Ｃｕ箔基底上沉积的薄膜ＳＥＭ像［２３］（ａ）ＳｎＯ２；（ｂ）Ｌｉ２Ｏ－ＳｎＯ２；（ｃ）ＣｕＯ－ＳｎＯ２；（ｄ）Ｌｉ２Ｏ－ＣｕＯ－ＳｎＯ２Ｆｉｇ．１ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆａｓ－ｄｅｐｏｓｉｔｅｄｔｈｉｎｆｉｌｍｓｏｎＣｕｆｏｉｌｓｕｂｓｔｒａｔｅ［２３］（ａ）ＳｎＯ２；（ｂ）Ｌｉ２Ｏ－ＳｎＯ２；（ｃ）ＣｕＯ－ＳｎＯ２；（ｄ）Ｌｉ２Ｏ－ＣｕＯ－ＳｎＯ２Ｙａｎｇ等［２４］采用溶液热合成法

纳米棒

Ｗａｎｇ等［３２］也采用类似的方法制备出Ｓｎ－Ｎｉ－Ｐ纳米棒阵列，如图３所示。研究发现，相邻纳米棒之间的空隙和多相结构可以缓冲电极在充放电过程中应力变化产生的体积膨胀。另外，Ｐ元素的初始容量高达２５７３ｍＡ·ｈ·ｇ－１，也为电极提供了一部分容量。何见超等［３３］制备了粒度不同的Ｃｏ－Ｓｎ合金负极电极。后续热处理能得到尺寸较小的ＣｏＳｎ２合金，有利于提高电极的嵌锂容量，但会引起首次不可逆容量损失的增加和循环稳定性的降低。较小的初始电流密图２Ｓｎ－Ｎｉ纳米棒合金的ＳＥＭ像［３１］Ｆｉｇ．２ＳＥＭｉｍａｇｅｏｆＳｎ－Ｎｉａｌｌｏｙｎａｎｏｒｏｄｓ［３１］图３Ｓｎ－Ｎｉ－Ｐ纳米棒阵列的ＳＥＭ像［３２］Ｆｉｇ．３ＳＥＭｉｍａｇｅｏｆＳｎ－Ｎｉ－Ｐｎａｎｏｒｏｄｓａｒｒａｙ［３２］度使得活性物质的嵌脱锂过程进行的较为充分，并在颗粒表面形成较好的固体电解质膜（ＳＥＩ膜），有利于维持电极的稳定性，提高电极的循环性能，但是ＳＥＩ膜的生成也会造成材料的不可逆容量损失。相比之下，刘欣等［３４］将碳热还原法和高能球磨法巧妙地结合起来，成功制备了高性能的三元Ｓｎ３０Ｃｏ３０Ｃ４０合金负极材料。该材料中纳米级别的ＣｏＳｎ晶粒均匀弥散在无定形态的碳基体中，，为其具有优异电化学性质提供了保证。研究表明，循环前后Ｓｎ３０Ｃｏ３０Ｃ４０电极的结构基本保持稳定，无明显的粉化、剥离现象。同时，Ｓｎ３０－Ｃｏ３０Ｃ４０电极的可逆比容量达到了５５０ｍＡ·ｈ·ｇ－１，首次库伦效率为８０％，倍率性能优越，是一种具
【作者单位】：河北大学电子信息工程学院;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(61204079) 河北省自然科学基金资助项目(F2017201130) 河北省青年拔尖人才计划资助项目(2016)
【分类号】：TM912

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