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锂离子二次电池用锡基负极材料的制备与性能研究

作　者: 王刚
导　师: 申泮文
学　校: 南开大学
专　业: 无机化学
关键词: 锂离子二次电池 负极材料 锡基材料 电化学性能 Co2SnO4 多孔炭
分类号: TM912
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


锂离子二次电池由于具有高能量密度、高输出电压、环境友好和无记忆效应等优点,广泛用于各种便携式电子设备的同时,在电动汽车等大型电动设备上也有着广阔的应用前景。开发高容量、高循环稳定性的负极材料以取代传统的炭材料成为近年来锂离子二次电池研究的热点。本论文综述了锂离子二次电池负极材料的研究进展及其存在的主要问题。在此基础上,针对锡基材料比容量高,但循环性能较差的特点,采用各种不同合成法制备了一系列具有新型结构的锡基负极材料。利用XRD,SEM和TEM等技术对这些材料的微观结构和形貌进行了分析,采用恒电流充放电、循环伏安（CVs）和电化学阻抗谱（EIS）等技术测试其电化学性能。本论文主要开展了以下几个方面的研究工作:锡基合金负极材料:由于锂离子二次电池有限的内部空间,寻找高容量、高振实密度的负极材料有着非常重要的现实意义。本工作利用La-Co-Sn三元合金具有高晶体密度的特点,通过电弧熔炼法制备了一系列富Sn的La-Co-Sn三元合金。在深入研究Co/Sn比率对合金结构、形貌影响的基础上,研究了其电化学性能。结果表明,所有的La-Co-Sn三元合金均以Yb3Rh4Sn13结构类型的La3Co4Sn13金属间化合物作为主相。随着三元合金中锡含量的增加,可逆容量增大,但循环性能变差。由于铸态La-Co-Sn三元合金颗粒较大,在首次循环中活性成分利用率低,导致首次不可逆容量损失比较大。其中,铸态LaCoSn4合金显示了最好的电化学性能。在此基础上,进一步对铸态LaCoSn4合金进行高能球磨处理,发现球磨处理导致La3Co4Sn13主相的逐步分解和结晶度的降低。与铸态LaCoSn4合金相比,所有球磨的LaCoSn4合金表现出了改善的电化学性能。特别是,球磨16h的LaCoSn4合金在循环40周后放电容量仍然在500 mAh/g以上。球磨过程有利于合金的电荷转移电阻和Warburg阻抗明显减小,这是导致球磨LaCoSn4合金循环性能改善的直接原因。虽然需要进一步提高首次库仑效率,具有高晶体密度的La-Co-Sn三元合金仍然能够被考虑作为有希望的锂离子二次电池的负极材料。Co2SnO4负极材料:对锂离子二次电池而言,锡基复合氧化物是最具吸引力和最具竞争力的电极材料,然而其锂合金化过程中严重的体积效应导致电极材料逐渐粉化,从而引发循环性能下降。针对锡基复合氧化物的体积效应,通过减小锡基复合氧化物的晶粒尺寸来实现良好循环性能是一个有效的途径。本工作通过水热方法成功地制备了立方尖晶石结构的Co2SnO4纳米晶,系统地研究了碱溶液浓度、水热温度和水热时间对产物结构和形貌的影响。结果表明,在2.0M的NaOH溶液中,240℃反应48h可以制备出结晶性良好的Co2SnO4纳米晶。电化学性能测试表明,Co2SnO4纳米晶的首次可逆容量（充电容量）达到了1088.8 mAh/g,循环50周后可逆容量仍然维持在555.9 mAh/g,远优于由高温固态法制备的体相Co2SnO4的循环性能。通过CVs和XRD分析表明,Co（?）CoO的可逆转化是影响Co2SnO4的循环稳定性的关键因素。虽然减小粒径尺寸可以改善锡基氧化物的循环性能。然而,氧化物的导电性对其循环性能,尤其是倍率性能有着重要影响。本工作通过水热法将Co2SnO4纳米晶与碳纳米管复合,不仅有助于缓冲合金化过程中巨大的体积变化引发的机械应力,提高其循环稳定性,而且还能充分发挥碳纳米管的优良的导电性,从而最大程度地发挥纳米尺寸效应,促进电极材料倍率性能的改善。当Co2SnO4与MWCNTs重量比为5:1时,Co2SnO4-MWCNTs复合物的首次可逆容量（充电容量）高达986 mAh/g。在循环50周以后,其可逆容量仍然稳定在898 mAh/g,容量保持率达到了91.1%,平均每次循环容量仅损失0.18%。而且该复合材料还具有比较良好的倍率性能,即使在1000 mA/g的电流密度下可逆容量仍然达到了100-120 mAh/g左右。这种优异的性能表明了碳纳米管载体在增强电子导电率,维持热力学/动力学稳定性和降低电荷转移电阻方面所起的关键作用。锡-炭复合材料:针对金属锡在深度嵌锂过程中严重的体积效应,采用具有较高导电性和适当孔隙率的多孔炭材料作为金属锡纳米粒子的缓冲材料制备了新型锡-多孔炭复合材料。因该锡-多孔炭复合材料具有特殊的异质结构,优势互补,具有协同效应,进而导致增强的电化学性能。其中,锡含量为45.6%的锡-多孔炭复合材料在循环60周后可逆容量仍然维持在503 mAh/g。即使在1000mA/g电流密度下可逆容量仍然达到180 mAh/g。复合材料的电化学结果表明,所制备的多孔炭材料是金属锡的良好的缓冲材料,它既能保证复合材料的导电性,又能对其内部的金属锡在充放电过程中起到有效的缓冲作用。

全文目录


中文摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章 绪论  13-45
  1.1 前言  13
  1.2 锂离子二次电池简介  13-16
    1.2.1 锂离子二次电池发展简史  13-14
    1.2.2 锂离子二次电池的工作原理及特点  14-16
  1.3 锂离子二次电池负极材料研究进展  16-34
    1.3.1 炭负极材料  16-19
      1.3.1.1 石墨化炭材料  17
      1.3.1.2 非石墨化炭材料  17-19
    1.3.2 锡基负极材料  19-31
      1.3.2.1 锡基合金  19-24
      1.3.2.2 锡基氧化物  24-26
      1.3.2.3 锡和锡氧化物/炭复合材料  26-31
    1.3.3 硅基负极材料  31-32
    1.3.4 过渡金属氧化物  32-33
    1.3.5 含锂过渡金属氮化物和磷化物  33-34
  1.4 目前锡基负极材料存在的问题与解决途径  34
  1.5 论文选题的目的和主要研究内容  34-36
  参考文献  36-45
第二章 富锡La-Co-Sn三元锡基合金的制备与电化学性能  45-65
  2.1 引言  45-46
  2.2 富锡La-Co-Sn三元锡基合金的制备与电化学性能  46-52
    2.2.1 实验部分  46
    2.2.2 结果与讨论  46-52
      2.2.2.1 结构分析  46-48
      2.2.2.2 材料形貌分析  48
      2.2.2.3 材料的电化学性能  48-51
      2.2.2.4 循环伏安分析  51-52
  2.3 球磨对LaCoSn_4合金结构和电化学性能的影响  52-61
    2.3.1 实验部分  53
    2.3.2 结果与讨论  53-61
      2.3.2.1 球磨对材料结构和形貌的影响  53-55
      2.3.2.2 球磨对LaCoSn_4合金电化学性能的影响  55-57
      2.3.2.3 脱嵌锂机理分析  57-61
  2.4 本章小结  61-62
  参考文献  62-65
第三章 水热合成Co_2SnO_4纳米晶及其电化学性能研究  65-80
  3.1 引言  65
  3.2 实验部分  65-66
    3.2.1 Co_2SnO_4纳米晶的制备与表征  65-66
    3.2.2 电化学测量  66
  3.3 结果与讨论  66-77
    3.3.1 水热条件对产物结构的影响  66-69
    3.3.2 产物的形貌分析  69-72
    3.3.3 电化学性能分析  72-74
    3.3.4 电化学机理探讨  74-77
  3.4 本章小结  77
  参考文献  77-80
第四章 Co_2SnO_4-MWCNTs复合材料电化学性能研究  80-95
  4.1 引言  80-81
  4.2 实验部分  81-82
    4.2.1 MWCNTs的酸化处理  81
    4.2.2 Co_2SnO_4-MWCNTs复合材料的水热合成与表征  81
    4.2.3 Co_2SnO_4-MWCNTs复合材料的电化学测试  81-82
  4.3 结果与讨论  82-92
    4.3.1 Co_2SnO_4-MWCNTs复合材料的结构与形貌  82-84
    4.3.2 Co_2SnO_4-MWCNTs复合材料的电化学性能  84-92
      4.3.2.1 恒流充放电性能  84-86
      4.3.2.2 循环伏安与交流阻抗分析  86-91
      4.3.2.3 倍率性能分析  91-92
  4.4 本章小结  92-93
  参考文献  93-95
第五章 新型锡-多孔炭复合材料的制备及其性能研究  95-109
  5.1 引言  95-96
  5.2 实验部分  96-97
    5.2.1 Sn-HPC复合材料的制备与表征  96
    5.2.2 电化学测量  96-97
  5.3 结果与讨论  97-106
    5.3.1 热处理温度的选择  97-98
    5.3.2 Sn-HPC复合材料的结构分析  98-99
    5.3.3 Sn-HPC复合材料的热重分析和Sn含量的确定  99-101
    5.3.4 Sn-HPC复合材料的形貌分析  101-102
    5.3.5 Sn-HPC复合材料的电化学性能  102-106
  5.4 本章小结  106
  参考文献  106-109
第六章 结论  109-112
致谢  112-113
个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果  113

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 蓄电池
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