SnO2/C基锂离子电池负极材料的制备及性能研究

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负极材料作为锂离子电池的重要组成部分是决定电池性能的关键因素。然而商业化的石墨负极材料理论容量(372 m Ah g-1)已经不再满足高储能的要求,因此研究新的高容量、可适应社会发展的锂离子电池负极材料是急需解决的问题。在金属氧化物中,Sn O2具有较高的理论比容量(782 m Ah g-1),作为负极材料在锂离子电池的研究中具有重要意义。但是其本身的导电性差以及体积膨胀严重等问题使得Sn O2高容量的优势难以显现。通过对Sn O2进行掺杂或复合碳材料来改善其导电性和体积膨胀问题是当下研究需要继续攻克的问题。本文利用双碳源作为碳基体对Sn O2进行修饰从而提高了Sn O2/C材料在锂离子电池中的使用价值。利用简单的溶剂热法原位生长制备Sn O2/r GO复合材料,并通过元素掺杂进一步提高材料电化学性能。主要研究结果如下:(1)利用溶剂热法合成了Sn O2/石墨烯纳米片@碳纳米管复合材料。通过改变石墨烯纳米片(G)与碳纳米管(CNT)的加入比例得到一系列复合材料,利用XRD,Raman,SEM等对合成的材料进行相关表征分析,并测试不同的复合材料在电化学性能中的差异,探究不同比例下对复合材料电化学性能的影响。研究中发现,一定量的G:CNT(6:2)比例能够改善Sn O2作为锂离子电池负极材料的电化学性能。这是由于在特定比例下G的支撑作用与CNT的导电作用相辅相成,既能保证纳米材料不会堆积,同时CNT的存在能够很好的增强材料的导电性。当G:CNT的添加比例达到6:2时,在100 m A g-1电流密度下复合材料的容量可以保持在263 m Ah g-1,远高于单纯的Sn O2的保持的容量(129 m Ah g-1),其在倍率测试中也表现出了最佳的性能。分析两种碳材料对复合材料性能的贡献发现,当G过多时,复合材料的初始容量不高,但是相对稳定;而当CNT含量过高时,复合材料表现出CNT固有的属性,即:对于材料的初始放电容量有一定的贡献,但是随着充放电次数的增多单一CNT的作用逐渐减弱。(2)选取稀土元素钇(Y)作为掺杂元素通过溶剂热的方法原位生成不同掺杂量的Y@Sn O2/r GO。并利用X射线衍射(XRD),拉曼光谱(Raman),扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM)等对复合材料进行物相分析和形貌表征,探究掺杂对Sn O2结构以及形貌的影响。研究发现随着掺杂量的增加(0,0.2%,0.5%,0.8%),材料的晶格常数变大。通过对复合材料形貌的分析发现,掺杂会使材料的尺寸有变小趋势,这与XRD中衍射峰随着掺杂量的增加而变宽相对应。最后,将不同Y掺杂量的复合材料作为锂离子电池负极材料进行电化学性能测试,结果表明当掺杂量为0.8%时,复合材料表现出最优异的循环以及倍率性能。在100 m A g-1的电流密度下,循环200次后复合材料的容量保持在748 m Ah g-1。其次,在首次放电的过程中,0.8%Y@Sn O2/r GO的初始放电容量可以达到1683.7 m Ah g-1,首次库伦效率可以达到79.2%,远高于Sn O2/r GO(70.6%)。得益于Y掺杂增大了晶面间距,其倍率性能也同样展现出较为优异的结果。(3)进一步对0.8%Y@Sn O2/r GO进行机理的分析,并结合XRD,TEM等分析掺杂对合成的复合材料的内部结构的影响。对循环后复合材料的进行XRD物相表征,结合相对应的循环伏安(CV)曲线分析复合材料在充放电过程中发生的物质的反应,可以得到复合材料循环过后的XRD曲线中所呈现的物质能够很好的与CV曲线中的氧化还原反应的产物相匹配。最后通过测试不同扫速下的CV曲线求算b值,分析得出复合材料高的容量特性是由电容贡献行为和离子扩散行为共同决定的,并且通过相应的CV曲线拟合分析得出在不同的扫描速率下电容贡献率。
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