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锡基合金薄膜负极材料的制备及性能研究

作　者: 康虎强
导　师: 王连邦
学　校: 浙江工业大学
专　业: 应用化学
关键词: 锂离子电池 负极材料 锡 磁控溅射法
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


本文首先概述了锂离子电池及其负极材料的研究进展情况。由于目前锂离子电池的商用负极材料已不能满足实际需求,对高比容量、高稳定性、高安全性、长寿命、低成本的新型锂离子电池负极材料的开发受到极大关注,锡基材料就是其中最受关注的材料之一。本文以锡基负极材料为研究对象,围绕比容量、循环性能等主要性能指标,采用磁控溅射法制备锡基薄膜负极材料。运用XRD、SEM等分析测试技术对合成材料进行了结构和形貌表征,运用电化学测试手段对材料电化学性能以及相关机理进行了系统研究。采用Sn薄膜作为锂离子电池负极材料,首次循环可逆容量达823mAh/g,库伦效率高达92.7%,但之后的循环容量衰减很快。Sn薄膜负极经热处理后形成Cu3Sn合金,首次放电容量为470mAh/g,库伦效率为76.8%,虽然热处理后的首次放电容量和库伦效率有所降低,但是循环性能有一定的改善。通过磁控溅射方法制备Cu-Sn-Zn薄膜电极,经热处理后形成Cu6Sn5合金,使镀层与基体之间能保持良好的电接触。虽然首次不可逆容量损失变大,但循环性能有了较大的改善。可见Zn层的加入对循环初期对体积膨胀有一定的缓冲,但效果欠佳。采用磁控溅射技术在铜基体上沉积制备了Cu-SnZn合金薄膜电极,并通过热处理使得表面活性物质Sn与基体Cu相互扩散生成Cu3Sn中间合金。该合金薄膜电极表面非常的光滑、规整和致密,由尺寸在5μm左右的合金颗粒构成的,合金颗粒则由更小的尺寸在50nm左右的微粒组成,一些合金颗粒的项端长有纳米棒。该合金薄膜电极具有较高的容量和非常好的循环稳定性,循环200周后,脱锂容量仍保持在308mAh/g以上,与第一次脱锂容量相比较,容量保持率为91.9%,充放电效率基本上都保持在98%左右。研究表明,Cu-SnZn合金薄膜电极具有很好的插入/脱嵌锂可逆性和循环稳定性,应归因于合金薄膜电极同时具有薄膜、中间合金和纳米结构材料的特征。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-29
  1.1 引言  10
  1.2 锂离子电池的研究进展  10-17
    1.2.1 锂离子电池发展历程  10-12
    1.2.2 锂离子电池结构及工作原理  12-13
    1.2.3 正极材料的研究  13-15
    1.2.4 电解液的研究  15-17
  1.3 锂离子电池负极材料的研究进展  17-21
    1.3.1 负极材料应满足的要求  17-18
    1.3.2 碳材料的研究  18-20
    1.3.3 氧化物材料  20-21
  1.4 锂离子电池合金负极材料的研究  21-26
    1.4.1 合金与锂的反应机理  21-22
    1.4.2 锡锂反应机理  22-23
    1.4.3 Sn基合金的研究  23-26
  1.5 合金负极的改性研究  26-28
  1.6 本课题研究目的及内容  28-29
第二章 实验方法与仪器  29-35
  2.1 材料制备及处理方法  29-30
    2.1.1 磁控溅射法的原理与特点  29-30
    2.1.2 磁控溅射的膜生长模式与过程  30
  2.2 电极制备与电池的装配  30-31
    2.2.1 电极的制备  30-31
    2.2.2 电极的热处理  31
    2.2.3 电池的装配  31
  2.3 电化学性能测试  31-33
    2.3.1 充放电测试  31-32
    2.3.2 循环伏安测试(CV)  32
    2.3.3 交流阻抗测试(EIS)  32-33
  2.4 材料的形貌与组成表征  33-34
    2.4.1 扫描电子显微镜分析(SEM)与能谱分析(ED)  33
    2.4.2 X射线衍射分析(XRD)  33-34
  2.5 实验仪器与试剂  34-35
第三章 金属Sn电极的制备及性能研究  35-47
  3.1 引言  35-36
  3.2 金属Sn电极的制备  36
  3.3 Sn电极材料的表征  36-38
  3.4 Sn电极的电化学性能  38-40
  3.5 Sn电极的充放电性能  40-43
  3.6 不同放电电流的影响  43-44
  3.7 热处理的影响  44-46
  3.8 本章小结:  46-47
第四章 Cu-Sn-Zn电极的制备及性能研究  47-54
  4.1 引言  47
  4.2 Cu-Sn-Zn电极的制备  47-48
  4.3 Cu-Sn-Zn薄膜电极材料的表征  48-50
  4.4 Cu-Sn-Zn薄膜电极的电化学性能  50
  4.5 Cu-Sn-Zn合金薄膜电极的循环性能  50-51
  4.6 Cu-Sn-Zn薄膜电极热处理后的循环性能  51-52
  4.7 Cu-Zn-Sn合金薄膜电极的制备  52-53
    4.7.1 Cu-Zn-Sn合金薄膜电极的循环性能  52-53
  4.8 本章小结  53-54
第五章 Cu-SnZn合金电极的制备及性能研究  54-68
  5.1 引言  54
  5.2 Cu-SnZn薄膜合金电极的制备  54-55
  5.3 Cu-SnZn薄膜合金电极材料的表征  55-57
    5.3.1 XRD表征  55-56
    5.3.2 SEM表征  56-57
  5.4 SnZn-Cu合金薄膜电极的电化学性能  57-58
  5.5 SnZn-Cu合金薄膜电极的循环性能  58-60
  5.6 不同电解液对SnZn-Cu合金薄膜电极的影响  60-61
  5.7 热处理后Cu-SnZn合金薄膜电极的电化学及循环性能  61-66
    5.7.1 充放电性能测试  61-62
    5.7.2 电化学性能测试  62-63
    5.7.3 不同溅射时间对循环性能的影响  63-65
    5.7.4 不同溅射方法对性能的影响  65-66
  5.8 电极失效分析  66-67
  5.9 本章小结:  67-68
第六章 结论  68-69
参考文献  69-76
攻读硕士期间已发表文章和待发表文章  76-77
致谢  77

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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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