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Sn_xTi_(1-x)O_2固溶体锂离子电池负极材料的研究

作 者: 颜景丹
导 师: 宋怀河
学 校: 北京化工大学
专 业: 材料科学与工程
关键词: 锂离子电池 负极材料 二氧化锡 二氧化钛 固溶体
分类号: TM912
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 92次
引 用: 1次
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内容摘要


随着能源危机日益临近,新能源的开发和利用已经成为科学研究的主题之一。锂离子电池作为一种重要的化学电池,在手机、笔记本电脑、数码相机以及便携式小型电器中都有广泛应用。氧化锡负极的理论容量高达781 mAh·g-1,是碳材料理论容量的2倍,作为新一代锂离子电池的负极材料具有很大的研究和应用价值,但其循环稳定性较差。与此同时,TiO2纳米颗粒尽管可逆容量偏低,但具有很高的循环稳定性。为此,本文对SnxTi1-xO2固溶体(锡基氧化物)作为锂离子电池的负极材料这一课题进行了深入的研究和讨论。通过水热法合成了纳米级的SnO2颗粒。实验表明,在初期SnO2颗粒具有很高的储锂能力,但是随着循环的进行,容量下降迅速。经过30次循环,容量从891 mAh·g-1减小到314 mAh·g-1。这是因为在循环过程中,SnO2的晶体结构有高达259%的体积变化。这种膨胀与收缩容易引起锡微粒的团聚,会直接导致晶体结构机械性能的快速下降,从而导致金属锡结构崩溃。根据TiO2脱嵌锂可逆性高的特点,本文在实验中将Ti元素掺杂入SnO2中,将其作为循环过程中的基体,抑制体积的膨胀,保护电极材料的机械性能和储锂能力。采用水热法制备了纳米级的SnxTi1-xO2固溶体氧化物。通过XRD、TEM、SEM和EDX对材料的结构和组成进行了研究,从而证实SnxTi1-xO2是以SnO2作为溶剂,Ti作为溶质原子形成的置换型固溶体。通过循环伏安特性表征,证实SnxTi1-xO2固溶体的储锂机理与SnO2电极相同。同时在不同温度对SnxTi1-xO2固溶体进行了热处理,进而研究结晶性对电极容量及循环性的影响。实验结果表明,随着SnxTi1-xO2固溶体中锡含量增多(x=0.34、0.43、0.6、0.73、0.76),可逆容量增大(最大增幅500 mAh·g-1左右)。热处理温度升高,可逆容量也增加,550-C热处理的试样表现出最高的可逆容量(根据锡含量不同,首次循环的最大容量在400-800mAh·g-1之间),但循环效率不高。300℃热处理的试样容量较高且具有很好的循环稳定性。Sn0.76Ti0.24O2电极经过30次循环之后,保持有496 mAh·g-1的容量。其他锡含量稍少的电极材料在30次循环之后,保持有350-490 mAh·g-1的容量。和SnO2电极相比,循环性能有了很大的提升。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-15
第一章 绪论  15-24
  1.1 前言  15-16
  1.2 锂离子电池概述  16-19
    1.2.1 锂离子电池的原理  16
    1.2.2 锂离子电池的关键构成  16-18
      1.2.2.1 锂离子电池正极材料  16-17
      1.2.2.2 锂离子电池负极材料  17-18
      1.2.2.3 锂离子电池电解液  18
      1.2.2.4 隔膜  18
    1.2.3 锂离子电池的优缺点  18-19
  1.3 金属及金属氧化物负极材料  19-21
    1.3.1 金属锂及金属间化合物  19-20
    1.3.2 过渡金属氧化物负极材料  20
    1.3.3 锡基负极材料  20-21
  1.4 SnO_2负极材料  21-23
    1.4.1 SnO_2的制备方法  21-22
    1.4.2 SnO_2负极材料存在的问题及应对方法  22-23
    1.4.3 SnO_2与过渡金属氧化物复合的研究  23
  1.5 本论文的工作  23-24
第二章 实验部分  24-29
  2.1 实验原料及主要仪器设备  24-26
    2.1.1 实验原料及试剂  24
      2.1.1.1 实验所用的化学试剂  24
      2.1.1.2 组装电池用的原料  24
    2.1.2 主要实验设备  24-26
  2.2 主要测试与表征  26-29
    2.2.1 透射电子显微镜  26
    2.2.2 扫描电子显微镜  26
    2.2.3 能谱分析(EDX)  26
    2.2.4 X射线衍射  26-27
    2.2.5 热重-示差扫描仪(TG-DSc)同步热分析  27
    2.2.6 充放电性能测试  27
    2.2.7 交流阻抗谱测试  27-29
第三章 二氧化锡纳米颗粒的电化学性能  29-37
  3.1 二氧化锡纳米颗粒制备  29-30
  3.2 二氧化锡颗粒表征  30-32
  3.3 二氧化锡颗粒电化学性能测试  32-36
  3.4 小结  36-37
第四章 锡钛氧化物固溶体Sn_xTi_(1-x)O_2的电化学性能  37-70
  4.1 锡钛氧化物固溶体Sn_xTi_(1-x)O_2制备  37-38
  4.2 锡钛氧化物固溶体Sn_xTi_(1-x)O_2表征  38-49
    4.2.1 TG-DSC研究  38-41
    4.2.2 XRD表征Sn_xTi_(1-x)O_2氧化物固溶体的结构  41-43
    4.2.3 EDS定性和定量表征Sn_xTi_(1-x)O_2氧化物固溶体的组成  43-45
    4.2.4 Sn_xTi_(1-x)O_2氧化物固溶体的形貌分析  45-49
  4.3 锡钛氧化物固溶体Sn_xTi_(1-x)O_2的电化学性能  49-68
    4.3.1 循环伏安测试  49-54
    4.3.2 交流阻抗测试  54-56
    4.3.3 Sn_xTi_(1-x)O_2氧化物固溶体的充放电测试  56-63
    4.3.4 Sn_xTi_(1-x)O_2氧化物固溶体的循环性能测试  63-67
    4.3.5 讨论  67-68
  4.4 小结  68-70
第五章 结论  70-71
参考文献  71-75
致谢  75-76
研究成果及已发表的学术论文  76-77
导师和作者简介  77-78
北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  78-79

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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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