论文部分内容阅读
Sn基合金材料是目前比较有发展前景的一类锂离子电池负极材料,具有较高的电化学嵌锂容量,但由于脱嵌锂过程中体积变化较大,进而导致循环性能恶化,阻碍了实用化进程。针对合金的体积效应,本论文选择了合金/碳复合材料为研究对象,采用喷雾干燥-碳热还原复合工艺,制备了一系列锡基合金/碳复合材料。采用示差扫描量热法-热重分析(DSC-TGA)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等,研究Sn基复合材料的合成条件、材料成分、及表面形貌和内部形貌等特征。通过恒流充放电测试和循环伏安测试,研究了合金/碳复合材料的电化学性能,并探讨了Sn基复合材料的脱嵌锂反应机理和容量衰减的原因。
以氧化锡、酚醛树脂为原料,采用喷雾干燥-碳热还原工艺制备了Sn/C微球复合材料。分析表明,金属锡颗粒均匀分散于碳微球载体中,碳载体既为金属锡提供锂离子和电子通道,又对金属锡脱嵌锂过程中的体积效应起到缓冲作用。复合材料的电化学性能主要依赖于嵌脱锂活性体金属锡的含量以及复合材料的合成温度。当锡含量为33.3wt%左右,材料合成温度为800℃时,Sn/C微球复合材料具有相对较好的电化学性能,首次可逆容量为299mAh/g,经过20次循环后容量还可以保持在174 mAh/g,容量衰减率较低,循环容量比较稳定。
采用相似的喷雾干燥-碳热还原工艺还制备了Sn2Sb/C微球复合负极材料。碳材料的分散及缓冲作用和Sn2Sb合金充放电时互为基体的缓冲作用,使复合材料具有较好的电化学性能。当Sn2Sb合金含量为60wt%,材料合成温度为900℃时,复合材料的首次可逆容量高达650.3 mAh/g,循环过程的库仑效率为95%左右,经过20次循环后,容量达419.8 mAh/g,容量保持率为64.6%。
采用相似的喷雾干燥-碳热还原工艺还制备了Sn-Co-C和Sn-Ni-C复合材料。Co或Ni的加入,在复合物内部更小区域内形成了活性/非活性复合结构,材料的循环稳定性进一步提高。当合金含量为60wt%,合成温度为900℃时,Sn-Co-C复合材料的首次可逆容量为391 mAh/g,100次循环后容量为307.1mAh/g,容量保持率78.5%,循环容量非常稳定;Sn-Ni-C复合材料的首次可逆容量为280.6 mAh/g,50次循环后容量为192.2 mAh/g,容量保持率为68.5%。
所研究的各合金/碳复合材料体系中,Sn-Co-C表现出较高的比容量和相对稳定的电化学性能。这是一类非常有发展前途的高比容量锂离子电池负极材料。