脫合金法制備鋰-鈉離子電池負(fù)極材料及性能表征的研究.pdf

1、隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染等問題變得愈發(fā)嚴(yán)重，尋找開發(fā)清潔能源迫在眉睫，而清潔能源的大規(guī)模使用高度依賴于高能量、大功率、低成本的儲(chǔ)能器件。在現(xiàn)有的儲(chǔ)能器件中，鋰離子電池具有高操作電壓、高能量密度、高功率系數(shù)和長循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車及以間歇性能源（如風(fēng)能、太陽能等）供能的可再生能源系統(tǒng)中，具有巨大的應(yīng)用潛力。目前商業(yè)化的鋰離子電池主要采用石墨作為負(fù)極材料，而石墨負(fù)極材料容量較低，不能滿足大容量電池的需求，

2、因此開發(fā)高容量和高穩(wěn)定性的負(fù)極新材料意義重大。
　　但是，動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池的大規(guī)模使用將會(huì)使Li的資源短缺問題變得比較突出，如何開發(fā)新的替代技術(shù)將是下一代儲(chǔ)能器件面臨的問題。Na作為僅次于Li的第二輕的堿金屬元素，與Li同屬堿金屬元素，豐度比Li高4～5個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，將Na應(yīng)用于電池領(lǐng)域，作為鋰離子電池的替代能源存儲(chǔ)技術(shù)，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，具有巨大的商業(yè)化潛力和優(yōu)勢(shì)。
　　脫合金法制備納米材料，反應(yīng)條件一般較為溫和，

3、不需要高溫高壓，制備過程中不需要添加保護(hù)/包覆劑，因此制備出的納米材料無需繁瑣的后處理過程，易于放大生產(chǎn)。本論文基于脫合金法，制備出一系列納米材料，用作鋰離子電池和鈉離子電池的負(fù)極材料，主要研究內(nèi)容包括:
　　(1)通過脫合金和高溫退火的方法，制備出MnO2微納花球，并研究了其作為鋰離子電池負(fù)極和鈉離子電池負(fù)極的電化學(xué)性能。我們以Mn5Al95合金，采用脫合金和退火的方法制備出MnO2微納花球。該種材料是以約20 nm厚的納米片為

4、基本結(jié)構(gòu)單元集合成整體尺度為1～2μm的球狀結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行鋰離子電池負(fù)極性能的研究發(fā)現(xiàn)，在200和2000 mA g-1的電流密度下，循環(huán)100圈，可逆比容量分別高達(dá)1012.4和488.8 mAh g-1;對(duì)其進(jìn)行鈉電池負(fù)極性能研究后發(fā)現(xiàn)，在電流密度為200 mA g-1時(shí)，循環(huán)100圈后，可逆比容量為52.7 mAh g-1。MnO2微納花球之所以具有良好的電化學(xué)活性，是因?yàn)橐环矫?，納米片狀基本單元不僅可以為Li/Na提供較多的反應(yīng)

5、活性位點(diǎn)，還可以縮短Li+/Na+的擴(kuò)散和電子的傳輸距離;另一方面，整體的微米球結(jié)構(gòu)可以緩沖電池充放電過程中的體積膨脹。
　　(2)通過脫合金方法，制備出納米多孔的CuSn合金，并對(duì)其鋰離子電池負(fù)極性能進(jìn)行了研究。我們使用Cu17Sn7Al76合金研究了脫合金時(shí)間對(duì)終產(chǎn)物的影響，制備出3種CuSn合金多孔材料——CuSn-12、CuSn-24和CuSn-48，它們的孔徑分別為70 nm、30 nm和20 nm。當(dāng)其作為鋰離子電池負(fù)

6、極材料時(shí)，在電流密度為200 mA g-1時(shí)，循環(huán)100圈之后，CuSn-12、CuSn-24和CuSn-48的可逆比容量分別為135.9、335.5和243.7 mAh g-1。當(dāng)其作為鈉離子電池負(fù)極材料時(shí)，在電流密度為200 mA g-1時(shí)，循環(huán)100圈之后，其可逆比容量分別為27.8、41.7和60.3 mAh g-1。CuSn-24和CuSn-48表現(xiàn)出較好的鋰、鈉離子電池負(fù)極性能，這是因?yàn)?，納米多孔結(jié)構(gòu)具有較高的比表面積，可以