论文部分内容阅读
目前,商品化的锂离子电池负极材料主要为石墨材料,然而石墨的理论比容量仅为372mA h g-1,难以满足人们对电源的能量密度与日俱增的要求。因此,探索新一代的高容量长寿命的负极材料已经成为锂离子电池研究领域的热点材料之一。其中具有较大的嵌锂理论容量的锡基负极材料,是一种较有前景的负极材料。然而其在充放电过程中,由于锂离子的反复脱嵌,锡的体积变化很大,造成电极材料粉化和剥落进而导致其循环性能差。如何缓解其体积膨胀,抑制活性物质的粉化及脱离以改善循环性能,一直是研究锡基负极材料的重要课题。本研究尝试通过元素掺杂、不同碳源制备及碳包覆探索对锡基负极材料的电化学性能影响,旨在寻找提高锡基负极材料循环寿命的有效途径。本论文的具体内容如下:1.以廉价的Zn、 Fe部分取代Sn-Co-C复合材料中昂贵的Co,制得Sn-Co-M-C(M=Zn、Fe)负极材料,探讨掺杂Fe、Zn对其结构和电化学性能的影响。掺Fe,虽然能降低成本,但不能提高Sn-Co-C负极材料的比容量;而掺Zn制得的Sn-Co-Zn-C负极材料的首次放电比容量为571mAh g-1,45次循环后其放电比容量仍有369mA h g-1,明显高于未掺杂的Sn-Co-C负极材料。因此,掺Zn不仅有利于控制材料的成本同时也有助于提高电极比容量并改善其循环寿命。2.以不同碳源通过氧化物碳热还原法制备Sn-Co-C材料并探讨对其结构和电化学性能的影响。结果表明,与单一的碳源(蔗糖或石墨)相比,用蔗糖和石墨混合的双碳源制备Sn-Co-C材料表现出更好的电化学性能。究其原因,可能有以下几个方面:(1)双碳源制备的材料中合金粒子粒径小于单一碳源制备的材料,这有助于提高其倍率性能;(2)双碳源制备的材料中合金粒子的分布更均一,团聚的较少;(3)由石墨和无定形碳组成的导电网络是稳定的,有助于提高其循环性能。以有机碳源和无机碳源混合的双碳源制备的材料具备比单一碳源更优异的电化学性能。该方法可以拓展至其他锡基或合金材料体系。3.采用葡萄糖水热法及碳化后处理合成制备从未报导过的碳包覆锡锌氧化物/碳微球(ZTO@C/CSs)负极材料。结果表明,ZTO@C/CSs复合材料中碳含量为42%左右。与未包覆前相比,其表现出更优异的循环性能和倍率性能。经过100次循环仍保持745mAh g-1,甚至在2000mA g-1电流密度下其放电比容量仍有470mA h g-1。如此高的可逆比容量、良好的循环性能及倍率性能是由纳米ZTO、包覆碳层和碳微球共同作用下获得的。虽然首次库伦效率仍需要进一步改善,但是ZTO@C/CSs复合材料作为锂离子电池负极仍有广阔的应用前景。