锂离子电池用多元Sn合金基碳复合材料的研究

论文摘要

金属锡作为锂离子电池负极材料时其理论比容量为990mAh/g,且其操作电位高,因而作为新型非碳类负极材料越来越受到了人们的重视,但由于锡在嵌锂后自身体积膨胀较大,其循环寿命较短。向锡中掺杂其他元素形成合金或复合物是提高其循环寿命的较好办法。本文在化学还原法的基础上采用水热法和碳热还原法制备了Sn/C和SnCo/C复合材料,并对其电化学性能进行了研究。用水热法制备的Sn/C复合材料的首次脱锂比容量为700mAh/g,首次不可逆效率约为56%,循环300次后仍保持约400mAh/g的比容量。在还原反应的过程中氧气和络合剂的存在会抑制Sn微粒的团聚。水热反应过程中葡萄糖用量增加时,材料的比容量略有下降,但循环性变好;当葡萄糖用量一定时,葡萄糖溶液浓度的增加会改善材料的循环性能。电极材料中增加导电剂的含量可改善材料的循环性能。水热法制备的SnCo/C复合材料中钴的加入会增加材料的导电性,但过量钴的加入会导致材料循环性能的下降。水热反应过程中随着葡萄糖用量的增加,材料比容量下降,但循环性能的改善不明显。当葡萄糖用量一定时,葡萄糖溶液的浓度对材料性能的影响不明显。电极材料中导电剂的含量对材料循环性能的影响不明显。高温碳热还原法制备的SnCo(B)/C复合材料的首次脱锂比容量约500mAh/g,首次循环的效率可达65%,但循环性能不理想。提高反应温度,增加反应时间可使还原反应进行的比较完全,但易发生金属Sn的熔出。升温速率对材料性能的影响不明显。在较低温度下延长还原反应的时间可使反应进行的比较完全。热处理和物料配比对材料的性能基本没有影响。热处理并不影响乙炔黑的电化学性能,但对Sn/C复合材料和SnCo/C复合材料的性能有重要影响。热处理可显著提高Sn/C复合材料和SnCo/C复合材料的循环性能,且热处理可在较高温度下以较短的时间完成,热处理时保护气体气氛对材料性能影响不明显。只有对极片热处理才能起到作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 锂离子电池简介
• 1.2.1 锂离子电池的发展过程
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理
• 1.3 锂离子电池锡负极材料的研究进展
• 1.3.1 锡钴合金的制备方法
• 1.3.2 锡或锡基合金碳复合材料的制备方法
• 1.4 本论文的研究目的及主要内容
• 第2章 实验方法与仪器
• 2.1 实验药品与仪器
• 2.2 材料制备方法
• 2.2.1 水热法
• 2.2.2 碳热还原法
• 2.3 电极制备与实验电池装配
• 2.3.1 电极制备
• 2.3.2 实验电池装配
• 2.4 电化学性能测试
• 2.4.1 充放电实验与循环性能
• 2.4.2 循环伏安曲线
• 2.4.3 微分容量曲线
• 2.5 材料的形貌与组成表征
• 2.5.1 扫描电子显微镜
• 2.5.2 透射电子显微镜
• 2.5.3 X射线衍射分析
• 第3章 水热法制备Sn/C复合材料的研究
• 3.1 材料的制备与表征
• 3.1.1 材料的制备
• 3.1.2 材料的表征
• 3.2 材料的性能
• 3.2.1 乙炔黑的性能研究
• 3.2.2 氧气对材料性能的影响
• 3.2.3 葡萄糖用量对材料性能的影响
• 3.2.4 葡萄糖溶液浓度对材料性能的影响
• 3.2.5 物料配比对材料性能的影响
• 3.3 材料的热处理研究
• 3.3.1 热处理时间对材料性能的影响
• 3.3.2 热处理气氛对材料性能的影响
• 3.3.3 热处理温度对材料性能的影响
• 3.3.4 热处理顺序对材料性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 水热法制备SnCo/C复合材料的研究
• 4.1 材料的制备和表征
• 4.1.1 材料的制备
• 4.1.2 材料的表征
• 4.2 材料的性能
• 4.2.1 钴元素含量对材料性能的影响
• 4.2.2 葡萄糖用量对材料性能的影响
• 4.2.3 葡萄糖溶液浓度对材料性能的影响
• 4.2.4 物料配比对材料性能的影响
• 4.2.5 热处理对材料性能的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 碳热还原法制备SnCo（B）/C复合材料的研究
• 5.1 材料的制备与表征
• 5.1.1 材料的制备
• 5.1.2 材料的表征
• 5.2 材料的性能
• 5.2.1 升温速率对材料性能的影响
• 5.2.2 碳热还原温度对材料性能的影响
• 5.2.3 碳热还原时间对材料性能的影响
• 5.2.4 物料配比对材料性能的影响
• 5.2.5 热处理对材料性能的影响
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢