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锂离子电池因具有电压高、体积小、重量轻、自放电率低等特点已被广泛应用于手机、笔记本电脑等便携式电器中。目前已经商业化的石墨类碳材料在用作锂离子电池负极材料时由于受到低能量密度(372mAh/g)和低嵌锂电压的影响,不能满足大规模应用的需求。锡基材料因具有比较高的理论比容量而被认为是很有潜力的下一代负极材料,二氧化锡(SnO2)因其高的理论比容量(782mAh/g)受到越来越多的关注。但是在二氧化锡的电极过程中会出现比较严重的体积膨胀效应(体积膨胀超过200%),导致材料结构的破坏和容量保持率较低,以至于降低了实用性能。碳材料因具有很好的导电性能和微弱的体积膨胀效应而经常被用来与SnO2形成复合材料。石墨化的中间相碳微球(MCMB)是微米级的各向异性球状物质,具有很好的导电性和结构稳定性。本文使用化学沉淀和水热反应的方法,分步制备出SnO2/MCMB复合材料,并研究了其作为锂电池负极材料时的电化学性能。
文中使用水热反应法制备SnO2,并研究了反应时间和溶剂配比对实验结果的影响。反应时间分别设定为24h,36h和48h,溶剂中无水乙醇(EtOH)和去离子水(DI water)的体积比设定为0∶1,0.5∶1和1∶1。实验结果表明当反应时间为48h,溶剂中EtOH和DI water的体积比为0.5∶1时,反应得到的SnO2比较纯净,结晶度好。优化的实验条件作为水热法制备SnO2/MCMB复合材料的基本反应条件,同时通过加入不同质量的MCMB改变复合材料中MCMB与SnO2的质量比例,制备出四种不同成份含量的复合材料。
XRD的测试结果表明制备的SnO2较为纯净,复合材料中的成分为MCMB和SnO2,没有杂相物质形成。SEM图显示MCMB的尺寸在微米级,纯SnO2颗粒尺寸在纳米级别,粒径约为500nm,SnO2/MCMB复合材料中MCMB表面生长有大量的棒状SnO2,截面尺寸约为50nm,长度在500nm以下,TEM图片中可以观察到MCMB表面生长着致密的SnO2纳米棒。SnO2/MCMB的循环伏安曲线中有比较清楚的C(0.3V/0.01V)与Sn(0.6V/0.01V)的氧化还原峰。电化学阻抗性能分析中,不同质量比例复合材料的扩散阻抗值RSEI和RCT有明显的差别,当MCMB与SnO2质量比例为0.5∶1时,扩散电阻数值最小,分别为2.49Ω和0.486Ω。恒电流充放电过程中,复合物的充放电比容量均比SnO2提高了100~200mAh/g,并且在30次循环后容量的保持率均在70%以上。