基于三维集流体的高性能金属负极研究
发布时间：2021-02-13 04:20
锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、记忆效应小、污染小等优点,被认为是未来存储电能的最有效途径。三维电极是当前锂离子电池领域研究的热点,与传统电极相比,它能为体积膨胀提供充足的空间,增强电子与离子的转移能力,提供更稳定的机械结构等,因此此类电极在电化学测试中表现出更优异的循环稳定性与倍率性能,被众多研究者认为是下一代锂离子电池的理想选择之一。从活性材料出发,设计并构建了多种三维结构电极,作为锂离子电池的负极:通过静电纺丝技术制备了C-Ni3Sn2-Sn、Cu3Sn和N-TiO2纳米纤维,将其均匀涂覆在平面集流体上,构成三维网状结构;同样采用静电纺丝法制备了炭纳米纤维布免粘结剂负极,石墨纸为接收板,煅烧后纳米纤维与石墨纸形成三维网络。C-Ni3Sn2-Sn、Cu3Sn和N-TiO2纳米纤维表面存在的纳米颗粒,在三维结构的基础上进而增大了材料的比表面积,为Li+嵌入和脱出提供了更多的活性位点。上述三维结构电极均表现...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池的充放电原理示意图
5但是，由于镍的含量高，Ni3Sn合金的理论容量很低，这并不利于大容量的锂储存进而代替商业化石墨。（2）Sn-Cu自1999年开普勒等人制备Cu6Sn5合金以来，金属Cu作为非活性基体进入Sn体系已有几十年的历史[55-58]。室温下可稳定存在的Cu-Sn化合物可分为η`-Cu6Sn5[55-71]和ε-Cu3Sn[72-78]两种，这两种化合物作为锂离子电池负极材料而得到了广泛的研究。图1.3（a）η-Cu6Sn5、（b）η`-Cu6Sn5[56]、（c）Li2CuSn[55]和（d）Li22Sn5[82]的晶体结构Fig.1.3Thecrystalstructuresof(a)η-Cu6Sn5,(b)η`-Cu6Sn5[56],(c)Li2CuSn[55],(d)Li22Sn5[82]Cu6Sn5的高温相被标记为η-Cu6Sn5，属于NiAs型结构，1928年被Westgren等人发现[79]。图1.3（a）所示，η-Cu6Sn5是缺陷NiAs结构[80]。室温下存在的Cu6Sn5标记为η`-Cu6Sn5，并同时具有NiAs和Ni2In两种结构类型的结构特点（图1.3b）。η`-Cu6Sn5是缺陷Ni2In型结构，其中80%的三角双锥体位点是空缺的[56]。作为负极材料，之前报道的原位X射线衍射表明，Li+可插入到η`-Cu6Sn5中[58]。插入过程是可逆的。由于三棱锥双锥结构中存在大量的空位，锂在锂化过程的开始便可插入[81]。因此，η`-Cu6Sn5初期的电化学反应，形成了具有F-43m空间群的Li2CuSn型结构(图1.3c)。相变的理想反应可以用如下方程式来描述：η`-Cu6Sn5+10Li++10e-→5Li2CuSn+Cu（1-7）(x-2)Li++(x-2)e-+Li2CuSn→LixSn+Cu(2﹤x﹤4.4)（1-8）
6随着锂进一步的插入，来自于Li2CuSn中的Cu形成非晶态的Cu，之前Cu占据的位置被插入的锂所取代。从而形成Li-Sn合金，如方程式（1-8）所示[82]。Cu完全取代会得到Li3Sn相。此外，锂更进一步插入，会形成富锂相Li4.4Sn。如图1.3（d）所示，Li4.4Sn的结构为面心立方堆积。η`-Cu6Sn5在锂离子电池中的电化学性能已被广泛研究。Thackeray等人发现η`-Cu6Sn5会与锂反应生成LixCu6Sn5（x=13），其理论容量为358mAh·g-1，电压平台在0.4V（相对于Li/Li+）[58]。Wolfenstine等人开发了一种通过减小Cu6Sn5合金的尺寸来增强循环稳定性的方法[71]。纳米尺寸Cu6Sn5合金的理论容量为1450mAh·ml-1，其理论容量几乎是商业石墨（约850mAh·ml-1）的两倍。如图1.4（a-b）所示，Shin和Liu采用电化学沉积过程在泡沫H2模板上制备出多孔Cu6Sn5负极，30次循环后其放电比容量约为400mAh·g-1（图1.4c）。此外，多孔Cu6Sn5在20C时的比容量保持率超过了1C时的50%（图1.4d）[61]。图1.4（a）、（b）为多孔Cu6Sn5负极的SEM照片，（c）、（d）为多孔Cu6Sn5负极的循环性能和倍率性能[61]Fig.1.4(a,b)SEMimages,(c)cyclingperformance,and(d)ratecapacityoftheporousCu6Sn5anode[61]ε-Cu3Sn合金为Cmcm（63）空间点群。Cu3Sn合金在锂化和去锂化过程中，只有很小的体积变化。因此，Cu3Sn合金有望解决Sn负极在锂化和去锂化后因体积变化大而造成的循环性能差这一问题，成为一种有前途的负极材料。然而，与Cu6Sn5合金相比，Cu3Sn合金有一些缺点。首先，Cu3Sn合金的最大理论容量只有303mAh·g-1，其锂化产物为Li7Sn2（如方程式1-9所示）。ε-Cu3Sn+3.5Li++3.5e-→0.5Li7Sn2+3Cu（1-9）
【参考文献】：
期刊论文
[1]First-principles study of interphase Ni3Sn in Sn-Ni alloy for anode of lithium ion battery[J]. 侯贤华,胡社军,李伟善,汝强,余洪文,黄钊文. Chinese Physics B. 2008(09)
本文编号：3031963
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池的充放电原理示意图
5但是，由于镍的含量高，Ni3Sn合金的理论容量很低，这并不利于大容量的锂储存进而代替商业化石墨。（2）Sn-Cu自1999年开普勒等人制备Cu6Sn5合金以来，金属Cu作为非活性基体进入Sn体系已有几十年的历史[55-58]。室温下可稳定存在的Cu-Sn化合物可分为η`-Cu6Sn5[55-71]和ε-Cu3Sn[72-78]两种，这两种化合物作为锂离子电池负极材料而得到了广泛的研究。图1.3（a）η-Cu6Sn5、（b）η`-Cu6Sn5[56]、（c）Li2CuSn[55]和（d）Li22Sn5[82]的晶体结构Fig.1.3Thecrystalstructuresof(a)η-Cu6Sn5,(b)η`-Cu6Sn5[56],(c)Li2CuSn[55],(d)Li22Sn5[82]Cu6Sn5的高温相被标记为η-Cu6Sn5，属于NiAs型结构，1928年被Westgren等人发现[79]。图1.3（a）所示，η-Cu6Sn5是缺陷NiAs结构[80]。室温下存在的Cu6Sn5标记为η`-Cu6Sn5，并同时具有NiAs和Ni2In两种结构类型的结构特点（图1.3b）。η`-Cu6Sn5是缺陷Ni2In型结构，其中80%的三角双锥体位点是空缺的[56]。作为负极材料，之前报道的原位X射线衍射表明，Li+可插入到η`-Cu6Sn5中[58]。插入过程是可逆的。由于三棱锥双锥结构中存在大量的空位，锂在锂化过程的开始便可插入[81]。因此，η`-Cu6Sn5初期的电化学反应，形成了具有F-43m空间群的Li2CuSn型结构(图1.3c)。相变的理想反应可以用如下方程式来描述：η`-Cu6Sn5+10Li++10e-→5Li2CuSn+Cu（1-7）(x-2)Li++(x-2)e-+Li2CuSn→LixSn+Cu(2﹤x﹤4.4)（1-8）
6随着锂进一步的插入，来自于Li2CuSn中的Cu形成非晶态的Cu，之前Cu占据的位置被插入的锂所取代。从而形成Li-Sn合金，如方程式（1-8）所示[82]。Cu完全取代会得到Li3Sn相。此外，锂更进一步插入，会形成富锂相Li4.4Sn。如图1.3（d）所示，Li4.4Sn的结构为面心立方堆积。η`-Cu6Sn5在锂离子电池中的电化学性能已被广泛研究。Thackeray等人发现η`-Cu6Sn5会与锂反应生成LixCu6Sn5（x=13），其理论容量为358mAh·g-1，电压平台在0.4V（相对于Li/Li+）[58]。Wolfenstine等人开发了一种通过减小Cu6Sn5合金的尺寸来增强循环稳定性的方法[71]。纳米尺寸Cu6Sn5合金的理论容量为1450mAh·ml-1，其理论容量几乎是商业石墨（约850mAh·ml-1）的两倍。如图1.4（a-b）所示，Shin和Liu采用电化学沉积过程在泡沫H2模板上制备出多孔Cu6Sn5负极，30次循环后其放电比容量约为400mAh·g-1（图1.4c）。此外，多孔Cu6Sn5在20C时的比容量保持率超过了1C时的50%（图1.4d）[61]。图1.4（a）、（b）为多孔Cu6Sn5负极的SEM照片，（c）、（d）为多孔Cu6Sn5负极的循环性能和倍率性能[61]Fig.1.4(a,b)SEMimages,(c)cyclingperformance,and(d)ratecapacityoftheporousCu6Sn5anode[61]ε-Cu3Sn合金为Cmcm（63）空间点群。Cu3Sn合金在锂化和去锂化过程中，只有很小的体积变化。因此，Cu3Sn合金有望解决Sn负极在锂化和去锂化后因体积变化大而造成的循环性能差这一问题，成为一种有前途的负极材料。然而，与Cu6Sn5合金相比，Cu3Sn合金有一些缺点。首先，Cu3Sn合金的最大理论容量只有303mAh·g-1，其锂化产物为Li7Sn2（如方程式1-9所示）。ε-Cu3Sn+3.5Li++3.5e-→0.5Li7Sn2+3Cu（1-9）
【参考文献】：
期刊论文
[1]First-principles study of interphase Ni3Sn in Sn-Ni alloy for anode of lithium ion battery[J]. 侯贤华,胡社军,李伟善,汝强,余洪文,黄钊文. Chinese Physics B. 2008(09)
本文编号：3031963
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