锂离子电池负极材料锡锑镍合金的制备与研究

发布时间：2017-05-02 23:07

  本文关键词：锂离子电池负极材料锡锑镍合金的制备与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着可移动电子产品的广泛应用，电动汽车行业的迅速发展，对提供能源的可移动电源提出了新的要求，这些产品中的电源系统必须具备高容量、长寿命的特点。目前市场上的锂离子电池负极材料大多数是碳负极材料，但是碳材料的理论比容量比较低，因此必须制备具有高比容量、良好稳定性的负极材料。 锡锑合金因为Sn和Sb两种元素都能和Li发生合金化反应（Li_(22)Sn_5:994mAh/g,Li_3Sb:660mAh/g），有很高的理论容量,是一种有前景的锡基合金负极材料,然而锡锑合金在实际应用中还存在很多问题，这两种金属在锂离子嵌入后，体积膨胀明显，膨胀率达三倍以上，使材料表面逐渐断裂，电极材料的各部分电接触变坏，材料的容量随着循环进行一直衰减。为此人们提出利用活性/活性或活性/非活性结构，两种活性组分的嵌锂电位不同，或者非活性组分不参与嵌锂反应，对彼此的膨胀起到缓解或者抑制作用。本论文制备了Sn-Sb二元合金薄膜材料，Sn-Sb-Ni三元合金薄膜材料，并通过热处理引入氧元素，利用氧元素与锂在首次循环时生成的氧化锂，作为材料的骨架进一步改善材料的循环性能。通过XRD、EDS、SEM等材料分析测试方法，对材料在热处理前、热处理后以及循环一定次数后的物相组成、结构、形貌进行分析和表征。 本实验采用恒电流电沉积的方法制得的锡-锑合金薄膜材料，不同的电流密度制备的锡锑合金薄膜中两种元素的原子百分比很有很大的差异，使材料表现出不同循环性能，锡锑合金电极具有很高的初始可逆容量，但是在反复循环过程中伴随很大的体积膨胀效应，循环十次左右，材料的容量衰减速率很大，比容量快速下降。为了改善锡锑合金材料的循环性能，对锡锑合金进行热处理，利用热处理的方法消除材料内应力，同时适当的引入氧元素，在充放电过程中能过形成氧化锂，它可以作为材料的骨架起到支撑作用，从而使材料的循环性能更好。采用-5mA/cm~2的电流密度沉积出的锡锑合金，锡和锑两种元素的原子百分比约为9:11，经过400℃热处理两个小时后，材料表现的循环稳定性最好，首次循环可逆容量为597mAh/g左右，循环60次后容量约为350mAh/g。 为了进一步改善锡锑合金的循环性能，本文在研究锡锑二元合金的基础上，制备了锡锑镍三元合金，三元合金具有活性/活性/非活性的结构，镍元素作为惰性元素，不发生脱嵌锂的反应，探讨它是否能够进一步缓解体积膨胀。通过控制溶液pH、温度、电流密度来获得具有不同原子配比的合金薄膜材料，研究三元合金的电化学性能和电极反应机理。对电沉积制备的三元合金在400℃下进行热处理，同样引入部分氧元素，在循环过程中生成氧化锂，起到骨架支撑作用。研究表明，，当材料中锡、锑、镍、三种元素原子比约为4:5:2时，材料的循环性能最好，首次放电容量为609mAh/g，循环80次以后可逆容量约为456mAh/g，循环性能显示了较好的电化学性能。
【关键词】：锂离子电池 电沉积 锡锑二元合金 锡锑镍三元合金
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM912;TG146.14
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-29
• 1.1 前言15
• 1.2 锂离子电池概述15-16
• 1.3 锂离子电池的工作原理16-17
• 1.4 锂离子电池负极材料17-26
• 1.4.1 碳负极材料18-19
• 1.4.2 金属及金属合金材料19-23
• 1.4.3 金属氧化物负极材料23-24
• 1.4.4 硅负极材料24-26
• 1.5 前人的研究成果总结26-27
• 1.6 本课题的选题依据及研究内容27-29
• 第二章 实验方法29-34
• 2.1 实验药品及仪器30-31
• 2.1.1 化学试剂和原材料30
• 2.1.2 主要仪器和设备30-31
• 2.2 材料的合成与制备31-32
• 2.2.1 电化学共沉积 Sn-Sb 合金及热处理31
• 2.2.2 电化学共沉积 Sn-Sb-Ni 合金及热处理31-32
• 2.3 材料的结构表征32
• 2.3.1 X 射线衍射测试32
• 2.3.2 描电子显微镜 SEM 形貌分析32
• 2.3.3 能谱 EDS 分析32
• 2.4 材料的电化学性能测试与分析32-34
• 2.4.1 组装模拟电池32-33
• 2.4.2 恒电流充放电测试33
• 2.4.3 循环伏安测试33
• 2.4.4 交流阻抗测试33-34
• 第三章 电沉积制备 Sn-Sb 合金及其性能研究34-52
• 3.1 电流密度对锡锑合金性能的影响35-39
• 3.1.1 合金成分分析35-36
• 3.1.2 合金的物相分析36-37
• 3.1.3 合金表面形貌37-38
• 3.1.4 循环性能38-39
• 3.2 热处理温度对锡锑合金性能的影响39-44
• 3.2.1 合金的物相分析39-40
• 3.2.2 合金成分分析40-42
• 3.2.3 合金表面形貌42-43
• 3.2.4 循环性能43-44
• 3.3 热处理方式对锡锑合金性能的影响44-45
• 3.3.1 循环性能44-45
• 3.4 锡锑合金的电化学性能分析45-51
• 3.4.1 锡锑合金的充放电曲线45-47
• 3.4.2 锡锑合金的循环伏安测试47-48
• 3.4.3 锡锑合金的交流阻抗测试48-49
• 3.4.4 材料的失效分析49-51
• 3.5 结论51-52
• 第四章 电沉积制备 Sn-Sb-Ni 合金及其性能研究52-68
• 4.1 材料中元素含量的影响因素研究53-56
• 4.1.1 氯化镍的浓度对合金成分的影响53-54
• 4.1.2 溶液 pH 对合金成分的影响54
• 4.1.3 电流密度对合金成分的影响54-55
• 4.1.4 温度对合金成分的影响55-56
• 4.2 材料结构表征56-61
• 4.2.1 锡锑镍合金 EDS 分析56-57
• 4.2.2 锡锑镍合金的形貌分析57-58
• 4.2.3 锡锑镍合金的物相分析58-59
• 4.2.4 热处理后的锡锑镍合金的形貌分析59-60
• 4.2.5 热处理后锡锑镍合金的物相分析60-61
• 4.3 锡锑镍合金的电化学性能分析61-66
• 4.3.1 材料的循环性能测试61-62
• 4.3.2 锡锑镍合金的充放电曲线62-63
• 4.3.3 锡锑镍合金的循环伏安测试63-64
• 4.3.4 锡锑镍合金的交流阻抗测试64-65
• 4.3.5 材料的失效分析65-66
• 4.4 SnSb 合金与 SnSbNi 合金材料的循环性能对比66-67
• 4.5 结论67-68
• 第五章 结论68-70
• 参考文献70-73
• 致谢73-74
• 研究成果及发表的论文74-75
• 作者和导师简介75-76
• 附件76-77

【参考文献】

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本文编号：341855