SnO_2基锂离子电池负极材料的研究
发布时间：2020.01.03
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本论文在详细评述了锂离子电池及相关材料研究进展的基础上,以SnO_2基负极材料为研究对象,围绕材料的比容量、循环性能和倍率性能等主要性能指标,采用非水溶剂溶胶-凝胶法、电沉积法、机械化学法、流变相法、均匀沉淀法等方法制备了SnO_2基负极材料,运用XRD、SEM、IR、BET、ESR、ICP、激光粒度分析以及电化学性能测试等现代分析测试技术对合成材料的表征、电化学性能以及相关机理进行了系统研究。 以SnCl_4和乙二醇为原料,采用溶胶-凝胶工艺制备了纳米SnO_2粉末。讨论了非水溶剂溶胶-凝胶法制备纳米SnO_2的反应原理,研究表明纳米SnO_2的制备包括稳定溶胶的形成、溶胶-凝胶的转化和纳米SnO_2的形成等三个步骤。由于空间位阻作用,乙二醇阻止了Cl~-接近Sn~(4+),从而保证了溶胶的稳定性。乙二醇不仅是一种络合剂(形成聚合网络结构),而且是一种“隔离剂”(在凝胶干燥过程中保持金属氧化物之间的距离,防止金属氧化物之间的团聚)。采用XRD和IR光谱研究了热处理温度对纳米SnO_2结构演变和形貌的影响。研究表明,经500℃热处理4h得到的样品粒度分布均匀,平均粒径在15-20 nm之间。 对纳米SnO_2粉末的电化学测试发现:热处理温度、充放电截止电压、电流密度以及粉末粒度大小对SnO_2电极的电化学性能具有较大的影响。500℃热处理4小时制备的纳米SnO_2的电化学性能最好:0.1C放电(放电区间为0-2.0V)时,其充电比容量达到为868mAh/g,经30次循环的容量衰减率为0.56%;0.5C放电(放电区间为0-1.0V)时,其可逆容量达到498 mAh/g,经30次循环后的容量衰减率只有0.075%。采用交流阻抗法对纳米SnO_2电极的界面过程进行了研究,得到了不同荷电状态下SnO_2电极交流阻抗谱的等效电路。 首次采用电沉积法直接在铜箔上制备了纳米SnO_2薄膜,得到了SnO_2薄膜的最佳制备工艺。对电沉积法制备纳米SnO_2薄膜的电化学性能进行了研究。经400℃热处理2h得到的SnO_2薄膜电极0.1C、1.0C和2.0C放电时的可逆容量分别达到798mAh/g、630 mAh/g和550 mAh/g,0.1C放电时50次循环后的容量保持在773mAh/g以上,容量保持率达到为97%。这些数据表明电沉积法制备的纳米SnO_2薄膜具有较高的电化学容量、良好的循环寿命和倍率性能。 首次采用机械化学法和流变相法制备了SnO_2基复合氧化物材料,并对其结构、形貌和电化学性能进行了比较研究。
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