过渡金属-Sn合金的制备与性能研究

发布时间：2017-05-08 17:10

  本文关键词：过渡金属-Sn合金的制备与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：金属锡(Sn)因为具有高的理论比容量(993.6m Ah/g,对应Li4.4Sn相的形成)被认为是一种今后可选择的高性能锂离子电池负极材料。然而,由于其在充放电过程中形成较大的体积膨胀(360%)和机械应力导致快速的容量衰减,Sn电极材料的实际应用受到了极大的阻碍。为解决此难题,引入惰性基质M建立M-Sn合金便是一种有效的方法。这里的M主要是过渡金属,如Cu、Ni以及Co等。由于M对Li是不活泼的,在充放电过程中不与Li发生反应。并且,由于惰性基质M在充放电过程中的缓冲作用,使M-Sn合金具有较小的体积膨胀,从而使得材料的电化学性能得到提升。本工作主要针对解决锂离子电池锡基负极材料的电化学循环性能而展开,尤其通过引入过渡金属(Cu、Ni以及Co)掺杂的方法来解决该问题。通过结合高能机械球磨和溶剂热等简单制备方法,制备了三种过渡金属(Cu、Ni以及Co)-Sn合金;并借助XRD、SEM、TEM等多种测试和表征手段,表征了其结构、成分及形貌等;此外,借助电池性能测试仪、电化学工作站等设备,研究了它们作为锂离子电池负极材料时的电化学性能,主要得到如下研究成果:1、应用高能机械球磨法制备了一系列非化学计量比的Cu-Sn合金。结果显示这些合金具有两相特征,并且,由于Cu掺杂量不同而其相组成不同。作为锂离子电池的负极材料时,当Sn含量为70 at.%时具有较高的放电比容量和较好的循环稳定性,经20次循环后放电比容量为457 m Ah/g。通过对不同Cu掺杂量的Cu-Sn合金的锂储存性能的对比,得到了电化学性能最佳的Cu-Sn合金配方,为进一步提升Cu-Sn合金锂离子电池性能奠定了基础。2、采用一步溶剂热法制备了零维的Ni-Sn合金及Ni-Sn合金/石墨烯复合材料。在一步溶剂热法合成中,通过改变原料的浓度,Ni-Sn合金的颗粒尺寸是可控的。此外,在所制备的Ni3Sn2/石墨烯复合材料中,Ni3Sn2合金的颗粒尺寸约为216 nm,形貌为规律的准球形状,合金颗粒一致地被包裹在石墨烯之中。还原氧化石墨烯的含量为11.1 wt.%。还原氧化石墨烯的加入能够极大地改善Ni-Sn合金的电化学循环性能。在100 m A/g的电流密度下,200次循环后Ni3Sn2/石墨烯复合材料的放电比容量仍高达554 m Ah/g。此外,在800 m A/g的大电流密度下,该材料的放电比容量仍能达到422 m Ah/g。3、采用一步溶剂热法制备了三维多角形的Co-Sn合金。其中组成为Co3Sn2的合金具有六边形的Ni2In结构以及三维的多角形形貌,其粒径在100-200 nm。相比纯Co样品,Co3Sn2多角形合金展现了结构上和形貌上的各向异性。这些特征使它具有很优异的磁学性能,其饱和磁化强度为134.01 emu/g,矫顽力为131.5 Oe。此外,将Co3Sn2多角形合金用于锂离子电池负极,经200次循环后其放电比容量为240 m Ah/g,在1600 m A/g的大电流密度下的放电比容量为168 m Ah/g。
【关键词】：铜锡合金 镍锡合金 钴锡合金 锂离子电池 负极材料
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912;TG13
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 引言11
• 1.2 锂离子电池简介11-14
• 1.2.1 发展历史12
• 1.2.2 电池原理12-13
• 1.2.3 正极材料13-14
• 1.3 锂离子电池负极材料研究进展14-19
• 1.3.1 嵌入型材料14-15
• 1.3.2 转换型材料15
• 1.3.3 合金类材料15-19
• 1.4 论文选题背景和研究内容19-21
• 第2章 原料和设备、材料表征和电池测试方法21-27
• 2.1 实验原料及设备21-23
• 2.1.1 原料及试剂21-22
• 2.1.2 实验设备22-23
• 2.2 材料表征方法23-24
• 2.2.1 XRD分析23
• 2.2.2 TG-DSC分析23
• 2.2.3 SEM观察及能谱分析23-24
• 2.2.4 TEM观察及能谱分析24
• 2.2.5 磁性测试24
• 2.3 电池组装及电化学性能测试24-27
• 2.3.1 负极片制备24
• 2.3.2 扣式电池组装24-25
• 2.3.3 充放电性能测试25-26
• 2.3.4 交流阻抗测试26
• 2.3.5 循环伏安测试26-27
• 第3章 非化学计量比Cu-Sn合金的制备及性能研究27-37
• 3.1 引言27-28
• 3.2 Cu_(10-x)Sn_x合金的制备28-30
• 3.3 Cu_(10-x)Sn_x合金的表征30-32
• 3.3.1 结构分析30-31
• 3.3.2 形貌分析31-32
• 3.4 Cu_(10-x)Sn_x合金的电化学性能32-36
• 3.4.1 电化学阻抗性能32
• 3.4.2 电化学循环性能32-36
• 3.5 本章小结36-37
• 第4章 Ni_3Sn_2合金及其石墨烯复合材料的制备及性能研究37-51
• 4.1 引言37
• 4.2 球形Ni-Sn合金及Ni-Sn/石墨烯复合材料的制备37-38
• 4.3 球形Ni-Sn合金的表征38-41
• 4.3.1 形貌表征38-39
• 4.3.2 成分和结构表征39-41
• 4.4 Ni_3Sn_2@rGO复合材料的表征41-45
• 4.4.1 rGO的表征41
• 4.4.2 Ni_3Sn_2@rGO的形貌表征41-42
• 4.4.3 Ni_3Sn_2@rGO的成分及结构表征42-45
• 4.5 电化学性能表征45-50
• 4.5.1 嵌锂行为表征45-47
• 4.5.2 循环性能表征47-49
• 4.5.3 电化学阻抗表征49-50
• 4.6 本章小结50-51
• 第5章 多角型Co-Sn合金的制备及其性能研究51-61
• 5.1 引言51
• 5.2 合金制备方法51
• 5.3 合金的表征51-57
• 5.3.1 Co-Sn合金的基本性能表征51-52
• 5.3.2 Co-Sn合金的形成机理52-55
• 5.3.3 Co与Co-Sn合金结构和形貌的对比分析55-56
• 5.3.4 Co与Co-Sn合金磁学性能的对比分析56-57
• 5.4 Co_3Sn_2的电化学性能57-59
• 5.5 本章小结59-61
• 第6章 结论与展望61-63
• 6.1 结论61-62
• 6.2 展望62-63
• 参考文献63-69
• 致谢69-71
• 攻读学位期间研究成果71

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1 田昕;过渡金属-Sn合金的制备与性能研究[D];吉林大学;2016年

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