Ti和Sn氧化物負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其電化學(xué)性能.pdf

1、鋰離子電池和傳統(tǒng)鉛酸、鎳氫電池相比，具有容量高、功率大、循環(huán)性能好，不含鉛、鎘、汞重金屬等優(yōu)點(diǎn)，被稱為“綠色化學(xué)電源”，因而廣泛應(yīng)用于移動(dòng)數(shù)碼電子、電動(dòng)汽車、空間飛行器等大功率電源領(lǐng)域。負(fù)極材料是鋰離子電池的重要組成部分，目前商業(yè)化的負(fù)極材料主要是由碳材料制備而成，但是碳的理論比容量低，已成為限制鋰電池進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。近年來(lái)，金屬氧化物負(fù)極材料由于其較高的理論比容量已成為目前最有希望替代碳負(fù)極材料的候選者。然而，金屬氧化物負(fù)極材料在充

2、放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大的體積變形，從而造成材料開裂、脫落，最終導(dǎo)致鋰離子電池失效。因此，目前對(duì)于鋰離子電池負(fù)極材料的研究主要集中在通過(guò)納米化和復(fù)合化的方法來(lái)優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)，緩解體積膨脹，提高循環(huán)性能。
　　因此，本學(xué)位論文以金屬氧化物TiO2、SnOx為研究對(duì)象，通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)合化的方法對(duì)該類負(fù)極材料進(jìn)行組分與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以改善鋰離子電池負(fù)極材料的循環(huán)性能和倍率性能。在此基礎(chǔ)上，采用球磨法、靜電紡絲法、水熱法和電鍍-陽(yáng)極氧化法制備

3、鈦和錫的氧化物負(fù)極材料，利用XRD、SEM、TEM、BET、XPS等表征測(cè)試方法對(duì)實(shí)驗(yàn)制備的樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行表征，采用恒流充放電測(cè)試、電化學(xué)阻抗譜等方法對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)估。主要?jiǎng)?chuàng)新性研究成果如下：
　　1、分別采用機(jī)械球磨法和靜電紡絲法制備介孔結(jié)構(gòu)TiO2/CNTs復(fù)合材料和納米纖維結(jié)構(gòu)TiO2，并研究了其顯微組織對(duì)材料電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，所制備的介孔結(jié)構(gòu)或納米纖維 TiO2的比容量和倍率性能相對(duì)于純顆

4、粒狀 TiO2得到了有效提升，且具有較高的庫(kù)侖效率和循環(huán)性能。其原因在于介孔結(jié)構(gòu)和纖維結(jié)構(gòu)可大大增加材料的比表面積，便于激活活性物質(zhì)參與反應(yīng)，同時(shí)這些結(jié)構(gòu)還可作為負(fù)極材料在鋰脫嵌過(guò)程中的力學(xué)支架與嵌鋰脫鋰通道，有利于鋰離子的脫嵌。
　　2、分別采用靜電紡絲法和水熱法制備高比容量SnO2/TiO2和SnO2/RGO復(fù)合材料，并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，這兩種復(fù)合材料的循環(huán)性能和比容量相較純SnO2均得到了明顯改善，

5、尤其是RGO負(fù)載SnO2負(fù)極材料的電化學(xué)性能更為優(yōu)異，首次放電比容量高達(dá)1696 mAh g?1，循環(huán)50次后放電比容量仍有600 mAh g?1。其原因在于，TiO2和RGO的加入可以有效緩解SnO2在充放電過(guò)程中因體積膨脹導(dǎo)致的材料失效，并能進(jìn)一步提升材料的比容量和導(dǎo)電性，從而改善了該負(fù)極材料的循環(huán)性能。
　　3、基于一體化層狀復(fù)合材料的設(shè)計(jì)思想，以單質(zhì)銅為基底，采用電鍍-陽(yáng)極氧化法直接制備具有介孔結(jié)構(gòu)的SnO2/SnO/Sn

6、層狀一體化復(fù)合材料，同時(shí)為進(jìn)一步提升電極材料的比容量和循環(huán)性能，通過(guò)加入CNTs制備了CNTs@SnO2/SnO/Sn層狀一體化復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，該一體化復(fù)合材料的首次放電比容量高達(dá)1895 mAh g-1，經(jīng)過(guò)50個(gè)循環(huán)后，容量仍保持在927 mAh g-1，從而通過(guò)電極材料的介孔化、復(fù)合化、一體化的綜合設(shè)計(jì)思想，有效改善電極材料的電化學(xué)性能。
　　4、以泡沫鎳為基底，采用復(fù)合電鍍-陽(yáng)極氧化法制備出了層狀一體化錫氧化物薄膜