锂离子电池锡负极材料的制备及力学行为分析

发布时间：2017-05-01 16:12

  本文关键词：锂离子电池锡负极材料的制备及力学行为分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着新能源电动汽车等的迅速发展,对锂离子电池的容量提出了更高的要求。目前商业化的石墨负极材料由于其比容量较低,无法满足这一日益增长的要求。锡基材料因具有较高的比容量受到极大关注。然而,锡电极在充放电循环的过程中伴随着巨大且不均匀的体积膨胀,引起活性物质的粉化和剥落,导致电池容量和循环寿命急剧衰减。本文设计了中空Sn颗粒和Sn/C/PVA纳米纤维复合材料,利用内部中空结构、协调碳材料和高分子材料柔性减缓循环过程中体积膨胀,提高负极循环稳定性。1.利用还原法／电流置换法制备了Sn中空纳米颗粒,并将其用于锂离子电池负极研究。透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)表征了样品的微观形貌、结构和组成,证实了中空结构的形成,且中空锡纳米颗粒的粒径分布均匀,平均粒径约为180 nm。电化学测试表明,中空Sn纳米颗粒具有良好的循环性能,循环100次后,其比容量仍保持在377.9 mAhg-1,而实心Sn纳米颗粒比容量仅为50 m Ahg-1,表明纳米颗粒内部中空结构能够缓解负极体积膨胀,显著提高了Sn负极的循环性能。2.基于中空结构锡活性材料,建立了一维应力模拟的理论模型,分析了嵌锂过程中的应力分布及变化趋势。结果表明,中空结构能够极大缓解活性材料的应力。3.利用静电纺丝法制备了Sn/C/PVA纳米纤维,并将其用于锂离子电池负极研究。SEM和XRD表征了样品的形貌、结构和组成,证实了纳米纤维的形成。电化学测试表明,Sn/C/PVA内米纤维具有良好的循环性能,循环100次后,其比容量仍保持在471 mAhg-1,而实心Sn纳米颗粒比容量仅为50 mAhg-1,表明纳米颗粒与碳材料和高分子复合能够缓解Sn负极体积膨胀,显著提高负极的循环性能。
【关键词】：锂离子电池负极 锡纳米颗粒 电流置换法 应力分布
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-27
• 1.1 引言9
• 1.2 锂离子电池简介9-12
• 1.2.1 锂离子电池的发展9-10
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理和结构10-11
• 1.2.3 锂离子电池的特点11-12
• 1.3 锂离子电池负极材料概述12-14
• 1.3.1 负极材料的选择要求12
• 1.3.2 碳基负极材料12-13
• 1.3.3 非碳负极材料13-14
• 1.4 锡基负极材料的国内外研究进展14-24
• 1.4.1 金属锡纳米材料14-15
• 1.4.2 锡的氧化物15-18
• 1.4.3 锡基合金18-20
• 1.4.4 锡基复合材料20-23
• 1.4.5 其他锡基材料23-24
• 1.5 锂离子电池负极材料的力学模拟24-25
• 1.6 本论文的主要研究内容及意义25-27
• 第二章 中空锡纳米颗粒的制备及其电化学性能研究27-40
• 2.1 引言27
• 2.2 实验试剂与实验设备27-29
• 2.3 实验部分29-31
• 2.3.1 中空锡纳米颗粒的制备29
• 2.3.2 中空锡纳米颗粒的表征29-30
• 2.3.2.1 X射线衍射29-30
• 2.3.2.2 扫描电镜和透射电镜30
• 2.3.3 电极制备以及电池组装30-31
• 2.3.4 电化学表征31
• 2.4 结果与讨论31-39
• 2.4.1 中空Sn纳米颗粒的合成机理31-32
• 2.4.2 中空锡纳米颗的结构与组成分析32-37
• 2.4.2.1 X射线衍射分析32-33
• 2.4.2.2 扫描电子显微镜与透射电子显微镜分析33-37
• 2.4.3 电化学性能测试37-38
• 2.4.4 中空锡纳米颗粒充放电机理研究38-39
• 2.5 本章小结39-40
• 第三章 中空锡纳米颗粒的力学模拟40-48
• 3.1 引言40
• 3.2 理论方法40-45
• 3.2.1 球对称假设下的力学模型40-42
• 3.2.2 浓度模型42-43
• 3.2.3 离散43-45
• 3.23.1 浓度方程的离散43-44
• 3.2.3.2 应力的离散求解44-45
• 3.2.3.3 计算参数45
• 3.3 电极模型分析45-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第四章 SN/C/PVA复合纤维的制备及其电化学性能研究48-61
• 4.1 引言48
• 4.2 实验试剂与实验设备48-50
• 4.3 实验部分50-53
• 4.3.1 Sn/C/PVA复合纤维的制备50-51
• 4.3.2 Sn/C/PVA复合纤维的表征51-53
• 4.3.2.1 X射线衍射51
• 4.3.2.2 扫描电镜51-52
• 4.3.2.3 纳米压痕测试52-53
• 4.3.3 电极制备与电池组装53
• 4.3.4 电化学表征53
• 4.4 结果与讨论53-60
• 4.4.1 Sn/C/PVA复合纤维的制备原理53-54
• 4.4.2 Sn/C/PVA复合纤维的结构与组成分析54-59
• 4.4.2.1 扫描电子显微镜分析54-57
• 4.4.2.2 X射线衍射分析57-58
• 4.4.2.3 纳米压痕分析实验分析58-59
• 4.4.3 电化学性能测试59-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第五章 全文总结61-63
• 参考文献63-72
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参与科研情况说明72-73
• 致谢73

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 白春礼;纳米科技及其发展前景[J];国防科技工业;2001年04期

2 彭闯;认识纳米[J];现代家电;2001年02期

3 张立德;蓬勃发展的纳米产业[J];国防技术基础;2002年02期

4 ;纳米 臭氧 负离子……——它们的作用到底有多大[J];现代家电;2002年02期

5 徐滨士,刘世参,梁秀兵;纳米表面工程的进展与展望[J];机械工程学报;2003年10期

6 王昕;;纳米含能材料研究进展[J];火炸药学报;2006年02期

7 ;纳米科技:于细微处见神奇[J];军民两用技术与产品;2012年08期

8 董凤良;任红轩;褚卫国;;纳米材料和纳米科技在军用和民用领域的应用[J];军民两用技术与产品;2013年06期

9 ;中国纳米科技部分基础研究研究跃居世界先进行列[J];硅谷;2013年18期

10 ;纳米“热”中冷思考[J];家用电器科技;2000年12期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 陈天虎;谢巧勤;;纳米矿物学[A];中国矿物岩石地球化学学会第13届学术年会论文集[C];2011年

2 马燕合;李克健;吴述尧;;加快建设我国纳米科技创新体系[A];纳米材料和技术应用进展——全国第二届纳米材料和技术应用会议论文集（上卷）[C];2001年

3 李正孝;煍岩;;漫娗纳米技圫和纳米材料的a捎煤蛌|展[A];第二届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集[C];2002年

4 伊阳;陶鑫;;纳米CaCO_3在塑料改性中的应用研究[A];PPTS2005塑料加工技术高峰论坛论文集[C];2005年

5 洪广言;;稀土产业与纳米科技[A];第九届中国稀土企业家联谊会会议论文集[C];2002年

6 惠飞;王栋民;;纳米水泥混凝土的研究进展[A];2008年中国水泥技术年会暨第十届全国水泥技术交流大会论文集[C];2008年

7 秦伯雄;陈峰;马卓然;;高压流体纳米磨及其应用[A];纳米材料和技术应用进展——全国第三届纳米材料和技术应用会议论文集（上卷）[C];2003年

8 王树林;李生娟;童正明;李来强;;振动纳米学进展[A];第七届全国颗粒制备与处理学术暨应用研讨会论文集[C];2004年

9 洪广言;贾积晓;于德才;孙锁良;李天民;王振华;;纳米级氧化镱的制备与表征[A];中国稀土学会第四届学术年会论文集[C];2000年

10 洪茂椿;;纳米催化在化石资源高效转化中的应用研究[A];中国化学会2008年中西部地区无机化学、化工学术交流会会议论文集[C];2008年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 张立德（中国科学院固体物理研究所）;纳米专家话纳米[N];中国高新技术产业导报;2002年

2 本报记者 赵晓展;纳米科技，产业化序幕刚刚拉开[N];工人日报;2002年

3 宗合 晓丽;纳米科技成果产业化将带来巨大经济效益[N];消费日报;2004年

4 朱文龙;产学研联手助推纳米产业[N];文汇报;2006年

5 ;神奇的纳米科技[N];中国有色金属报;2006年

6 本报记者 李贽;纳米还没走出实验室[N];大众科技报;2001年

7 冯 薇;纳米护肤品没那么神[N];大众科技报;2005年

8 本报记者 彤云;打造纳米产业链条[N];中国高新技术产业导报;2001年

9 张芳;纳米护肤品其实没那么神[N];科技日报;2005年

10 赵展慧 张之豪;纳米世界有多神奇？[N];人民日报;2013年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 樊莉鑫;纳米电极体系界面结构及过程的理论与数值模拟研究[D];武汉大学;2014年

2 冯晓勇;高速重击条件下高锰钢表面纳米晶的制备及组织性能研究[D];燕山大学;2015年

3 黄权;B-C-N体系中新型超硬材料制备与性能研究[D];燕山大学;2015年

4 王东新;纳米钻石靶向载药体系的制备及其与细胞相互作用的研究[D];山西大学;2014年

5 张俊丽;低维磁性纳米结构的可控合成、微观表征及应用研究[D];兰州大学;2015年

6 于佳鑫;两种新型光学材料在显微生物成像与光谱检测中的应用探索[D];浙江大学;2015年

7 李志明;块体纳米晶钛的制备及组织演变与力学行为[D];上海交通大学;2014年

8 杨树瑚;缺陷对几种过渡族金属氧化物磁性的影响[D];南京大学;2012年

9 刘春静;锂离子电池锡基纳米负极材料制备及储锂性能[D];大连理工大学;2015年

10 谢伟丽;SiC纳米线三维结构的制备与生物相容性[D];哈尔滨工业大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 林诠彬;中药纳米化对中医药的影响[D];广州中医药大学;2010年

2 毛彩霞;纳米二氧化锰的安全性评价[D];华中师范大学;2008年

3 邓世琪;PbTi0_3及LiTi0_2纳米结构的水热合成及其光致发光和光催化性能研究[D];浙江大学;2015年

4 葛岩;YAG：Ce~(3+)纳米晶的制备及其发光性能的研究[D];上海师范大学;2015年

5 潘伟源;水热法合成的过渡金属化合物掺杂对Li-Mg-B-H储氢体系的改性研究[D];浙江大学;2015年

6 豆贝贝;纳米水泥熟料矿物的合成与性能研究[D];河北联合大学;2014年

7 郭步超;高氮奥氏体不锈钢机械纳米化表面层及其热稳定性研究[D];长春工业大学;2015年

8 王艳艳;纳米化/渗氮/渗硫层与润滑油添加剂的摩擦化学效应研究[D];中国地质大学(北京);2015年

9 周文敏;Cr_2WO_6、Ag_2CrO_4微/纳米晶的制备及性能研究[D];陕西科技大学;2015年

10 龚成章;纳米铝结构性质及Al/RNO_2界面作用的理论研究[D];南京理工大学;2015年

  本文关键词：锂离子电池锡负极材料的制备及力学行为分析，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：339248