锡基锂离子电池负极材料的制备与电化学性能研究

发布时间：2017-08-31 14:28

  本文关键词：锡基锂离子电池负极材料的制备与电化学性能研究

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【摘要】：锂离子电池因其具有体积小、重量轻、完全无记忆效应、高能量密度、自放电流小、宽工作温度范围、高安全性、可大电流充放电、循环次数多、较长使用寿命等优点,广泛地被应用于智能手机、数码相机、便携式笔记本电脑、纯电动汽车、军事装备及航空航天等众多领域。本论文合成了锡基纳米材料,并将其作为锂离子电池的负极材料,测试其电化学性能,所制备的锡基纳米材料包括纳米二氧化锡、碳包覆二氧化锡和氧化镍/二氧化锡三类负极材料。以简单水热法分别合成纳米SnO2、SnO2/C复合材料和NiO-SnO2复合金属氧化物等一系列锡基纳米材料,比较其作为负极材料表现出的电化学性能差异。碳复合的锡基材料融合了纳米材料和碳复合的优势,不同金属氧化物复合材料应用了金属氧化物间的协同效应,都有望满足锂离子电池日益发展的需要。本论文主要研究如下:一、以水热法合成纯SnO2纳米材料,对材料的结构、物相、形貌等性能进行了SEM(扫描电子显微镜)、XRD(X-射线衍射)测试,并对其作为负极进行了恒流充放电、循环伏安(CV)、交流阻抗(EIS)等电化学性能测试。XRD测试证明,本实验中所制备的SnO2为四方形金红石结构;SEM图表明,得到的SnO2材料是纳米尺寸。循环伏安揭示了SnO2材料脱嵌锂的过程,从而确定了反应过程机理。二、基于SnO2作为锂离子电池负极材料存在导电性较差和严重的体积效应的缺点,本论文采用一步水热法制备了不同比例的SnO2/C复合材料,分析碳材料的引入在提升比容量和循环性能方面所起的作用。对材料的结构、物相、形貌等进行了SEM、XRD、TG(热重)测试,并对其作为负极进行了恒流充放电、交流阻抗等电化学性能测试。XRD测试表明,材料中碳为无定形碳,SnO2为纳米晶体;通过TGA测试确定了材料中碳的含量;SEM图显示,所制得的材料直径在50到60nm之间。电化学测试结果表明,SnO2/C复合材料电极首次放电比容量为1197.5 mAh·g-1,首次库伦效率55.11%,在50次循环之后的容量保持在190 mAh·g-1,而SnO2材料电极的首次放电比容量为940.6mAh·g-1。碳的加入提高了纳米SnO2的导电性,在循环过程中抑制了粒子团聚,结构稳定性增强。三、以水热法制备了NiO-SnO2纳米复合材料。对材料的结构、物相、形貌等进行了SEM、TEM(透射电镜)、XRD、TG测试,并对其作为负极进行了恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等电化学性能测试。SEM表征显示,该复合材料为纳米材料,球形颗粒,颗粒尺寸在30~40nm。XRD结果表明,衍射峰分别与NiO和SnO2相对应。电化学测试结果表明,其作为锂离子电池负极材料具有较高的可逆比容量和较好的循环性能。NiO与SnO2之间的协同效应,增加了材料的稳定性,增强导电性,有利于锂离子的扩散。材料在充放电过程中会反应生成纳米尺寸的Ni单质,使得活性物质的表面原子增多,电化学反应活性增强,并且Ni单质本身具有较高的活性,可以与Li2O反应,并使SnO2首周放电过程生成的Li2O可逆地转化为Li+,负极的容量也随之提高,从而不可逆容量降低,提高了首次库伦效率。EIS测试进一步证明,NiO与SnO2之间的相互作用使得材料的导电性大大增强,其充放电过程中的动力学特征也明显改善。
【关键词】：锂离子电池 负极材料 锡基材料 金属氧化物 复合材料
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-25
• 引言10
• 1.1 锂离子电池的发展历程及国内外研究现状10-11
• 1.2 锂离子电池的内部组成及其工作原理11-16
• 1.2.1 正极材料12-14
• 1.2.2 隔膜14-15
• 1.2.3 电解液15
• 1.2.4 负极材料15-16
• 1.3 锂离子电池的特点及应用领域16-18
• 1.4 锂离子电池负极材料的研究进展18-23
• 1.4.1 碳类负极材料18-21
• 1.4.2 硅基负极材料21
• 1.4.3 锡基氧化物负极材料21-22
• 1.4.4 尖晶石型钛酸锂负极材料22-23
• 1.4.5 其它类负极材料23
• 1.5 本文的研究内容和研究目的23-25
• 第二章 实验部分25-30
• 2.1 实验试剂25-26
• 2.2 实验仪器26
• 2.3 实验方法26-30
• 2.3.1 电极活性物质的制备方法26-27
• 2.3.2 材料的表征方法27
• 2.3.3 扣式电池装配过程27-29
• 2.3.4 电化学性能测试方法29-30
• 第三章 纳米SnO_2、SnO_2/C复合材料的制备、表征及其电化学性能研究30-39
• 引言30
• 3.1 纳米SnO_2、SnO_2/C复合材料的制备30-31
• 3.2 纳米SnO_2、SnO_2/C复合材料的SEM表征31-32
• 3.3 纳米SnO_2、SnO_2/C复合材料的XRD表征32-33
• 3.4 SnO_2/C复合材料的热重分析33-34
• 3.5 纳米SnO_2、SnO_2/C复合材料电极的电化学性能测试34-38
• 3.5.1 循环伏安测试34-35
• 3.5.2 恒流充放电测试35-36
• 3.5.3 循环性能测试36-37
• 3.5.4 交流阻抗测试37-38
• 3.6 小结38-39
• 第四章 NiO-SnO_2复合金属氧化物及其电极的制备、表征和电化学性能研究39-50
• 引言39
• 4.1 NiO-SnO_2复合金属氧化物材料的制备39-40
• 4.2 NiO-SnO_2材料前驱体的热重分析40-41
• 4.3 NiO-SnO_2复合金属氧化物材料的SEM表征41-42
• 4.4 NiO-SnO_2复合金属氧化物材料的TEM表征42
• 4.5 NiO-SnO_2复合金属氧化物材料的XRD表征42-43
• 4.6 NiO-SnO_2复合金属氧化物材料的电化学性能测试43-49
• 4.6.1 循环伏安测试43-44
• 4.6.2 恒流充放电测试44-46
• 4.6.3 循环性能测试46-47
• 4.6.4 交流阻抗测试47-49
• 4.7 小结49-50
• 第五章 结论50-51
• 参考文献51-57
• 硕士期间发表论文情况57-58
• 致谢58

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本文编号：766123