锡碳基纳米管/线复合材料制备及其锂电应用研究

论文摘要

由于锡基材料具有较高的理论容量而成为替代目前商业化锂离子电池碳负极材料最具潜力的材料之一。然而锡基材料存在导电性差、充放电过程中产生体积膨胀、活性材料粉化等缺点,因此锡基材料循环性能大都较差。本文主要研究通过水热法制备锡碳基一维壳核结构复合材料来改善锡基材料循环性能。以碳纳米管（CNTs）、锡酸钾、葡萄糖、棉纤维等为原料,制备出具有不同形貌和结构的锡碳基复合材料。采用SEM、XRD、TGA、TEM等测试手段对所制备的材料进行材料性能表征分析,并进一步采用循环伏安法、充放电测试法、交流复阻抗测试法分析材料的储锂性能。首先,通过简单的锡酸钾溶液体系水热法制备出具有一维壳核结构的CNTs/SnO2复合纳米材料,对其研究表明：氧化锡能在120-200℃水热温度条件下与碳纳米管复合；对碳纳米管进行酸化处理并在水热前驱体中加入适量的尿素能够提高复合材料中氧化锡含量,并能改善氧化锡和碳纳米管的复合效果,从而提升锡碳基复合材料的储锂性能；所制备的CNTs/SnO2复合纳米材料50循环后放电比容量达340 mAh/g,该性能远远优于氧化锡纳米颗粒的性能。为进一步改善CNTs/SnO2复合纳米材料的循环性能,采用不同方法制备了CNTs/SnO2@C一维壳核结构复合纳米材料。首先,以水热制备的CNTs/SnO2为原料,通过进一步葡萄糖水热包碳法制备CNTs/SnO2@C材料。研究表明,通过180℃水热包碳、400-C-500℃热处理条件所制备样品的比容量在50次循环后保持在430mAh/g以上。另外,基于对CNTs/SnO2材料合成规律以及、葡萄糖碳包覆规律的研究,提出利用CNTs、锡酸钾、葡萄糖为原料通过一步变温水热法制备CNTs/SnO2@C材料方案。变温过程是一步水热形成CNTs/SnO2@C复合纳米材料关键因素。从节约成本、利于批量生产角度考虑,本文进一步研究以棉纤维为原料制备一维壳核结构复合材料的方法。首先利用水热法能够制备出碳纤维／氧化锡（CTs/SnO2）复合材料,然后对其进行简单的PVP溶液浸泡及碳化处理制成CTs/SnO2@C复合材料。结果表明：通过在制备过程中对棉纤维以及CTs/SnO2复合材料进行热处理,能够提高复合材料中氧化锡含量,并能改善其的储锂性能；该方法制备出的空心结构CTs/SnO2@C复合材料的氧化锡含量达70%,其放电容量在50循环后高于390mAh/g。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 锂离子电池概况及负极材料
• 1.1.1 锂离子电池概况
• 1.1.2 锂离子电池负极材料
• 1.2 锂离子电池锡基负极材料
• 1.2.1 锡基材料的储锂性能
• 1.2.2 锡碳基材料的性能改善方法
• 1.3 锡碳基复合纳米材料研究进展
• 1.4 本课题的选题依据和研究内容
• 第2章 锡碳基纳米管/线复合材料制备及测试
• 2.1 主要药品和仪器
• 2.2 复合材料制备过程
• 2.2.1 碳纳米管为碳核原料的复合材料制备过程
• 2.2.2 棉纤维为碳核原料的复合材料制备过程
• 2.3 形貌和成分表征
• 2.3.1 扫描电子显微镜
• 2.3.2 电子能谱分析
• 2.3.3 X射线衍射分析
• 2.3.4 透射电子显微镜
• 2.3.5 热重分析
• 2.4 电池组装及测试
• 2.4.1 电极片准备
• 2.4.2 电池封装
• 2.4.3 电化学性能测试
• 2复合材料制备及分析'>第3章 CNTs/SnO₂复合材料制备及分析
• 3.1 引言
• 2复合材料制备'>3.2 CNTs/SnO₂复合材料制备
• 3.2.1 碳纳米管预处理
• 2复合材料制备过程'>3.2.2 CNTs/SnO₂复合材料制备过程
• 2复合材料的形貌和成分'>3.3 CNTs/SnO₂复合材料的形貌和成分
• 3.3.1 碳纳米管原料的影响
• 3.3.2 尿素添加量的影响
• 3.3.3 水热及热处理温度的影响
• 2复合材料的电化学性能'>3.4 CNTs/SnO₂复合材料的电化学性能
• 3.4.1 碳纳米管的影响
• 3.4.2 尿素添加量的影响
• 3.4.3 水热及热处理温度的影响
• 3.5 本章小结
• 2@C复合材料制备及分析'>第4章 CNTs/SnO₂@C复合材料制备及分析
• 4.1 引言
• 2@C复合材料制备'>4.2 CNTs/SnO₂@C复合材料制备
• 4.2.1 分步水热制备法
• 4.2.2 一步水热制备法
• 2@C复合材料形貌和成分'>4.3 CNTs/SnO₂@C复合材料形貌和成分
• 4.3.1 分步水热法中水热温度的影响
• 4.3.2 分步水热法中热处理温度的影响
• 4.3.3 一步水热法中水热温度的影响
• 2@C复合材料电化学性能'>4.4 CNTs/SnO₂@C复合材料电化学性能
• 4.4.1 分步水热法制备样品的性能
• 4.4.2 一步水热法制备样品的性能
• 4.4.3 碳包覆对复合纳米材料性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 利用棉纤维合成锡碳基复合材料研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 棉纤维的预处理
• 2复合材料制备'>5.2.2 CT/SnO₂复合材料制备
• 2@C复合材料制备'>5.2.3 CT/SnO₂@C复合材料制备
• 5.3 形貌和成分表征分析
• 2复合材料'>5.3.1 CT/SnO₂复合材料
• 2@C复合材料'>5.3.2 CT/SnO₂@C复合材料
• 5.4 电化学性能分析
• 5.4.1 循环伏安测试
• 5.4.2 充放电测试
• 5.5 本章小结
• 结论
• 1.总结
• 2.特色与创新点
• 3.展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文