鋰離子電池新型負極材料的設計、制備及電化學性能的研究.pdf

1、近年來，電動汽車及多功能移動設備的發(fā)展使得更高性能的鋰離子電池的研究成為迫切需求。就負極材料而言，商業(yè)化石墨材料由于容量低和倍率性能差等缺點，并不能滿足高能量、高功率密度的鋰離子電池的要求。在眾多下一代負極材料中，錫基材料和碳酸鹽材料因其容量高和成本低等優(yōu)點備受關注。但是，這兩類材料在實際應用中仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。一方面，區(qū)別于傳統(tǒng)的嵌入脫出儲鋰機制，材料在充放電過程中體積變化巨大，通常會造成材料主體結(jié)構(gòu)以及 SEI膜破壞，導致循環(huán)性能不

2、穩(wěn)定；另一方面，難以控制的合成使得材料大都呈現(xiàn)實心大塊結(jié)構(gòu)，造成其無法表現(xiàn)出良好的倍率性能。
　　本文通過合理的探究和設計，從純相材料、復合結(jié)構(gòu)及整個電極結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，采用簡單易行的合成方法制備出了多種高性能的新型鋰離子電池負極材料。通過研究材料的組成、結(jié)構(gòu)、形成機理及電化學測試，揭示了不同結(jié)構(gòu)在儲鋰性能方面的優(yōu)勢并提出了多種普適的材料及電極結(jié)構(gòu)?；谛滦虵eCO3材料，利用經(jīng)典的Ostwald熟化機理，制備了空殼微納結(jié)構(gòu)FeCO

3、3-HMS，克服了塊體FeCO3容量低的缺點。FeCO3-HMS呈現(xiàn)出由一維納米纖維組成的中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部和殼壁分別為空心和多孔的構(gòu)造。一維的納米纖維和殼層有利于減少鋰離子的遷移路徑，同時內(nèi)部空心體積及多孔結(jié)構(gòu)對材料充放電過程中的體積膨脹起到了良好的緩沖作用。因此，F(xiàn)eCO3-HMS在50 mA g-1下可以達到1000mAhg-1的超高容量；在200mAg-1的較高電流密度下，能夠穩(wěn)定循環(huán)200周并保持722 mAh g-1的可逆容量。

4、為了得到更為良好的倍率性能，設計制備了超微Sn納米顆粒鑲嵌在富氮碳納米片中的Sn@GCNS二維復合材料。在合成過程中，利用g-C3N4作為軟模板和Sn顆粒的原位生長，成功將通常難以納米化的錫基材料控制在2 nm尺度范圍內(nèi)，并將其嵌入在GCNS中。通過異位AFM觀測發(fā)現(xiàn)，Sn@GCNS具有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，在充放電過程中厚度未發(fā)生明顯的變化，克服了Sn基材料體積膨脹大循環(huán)性能差的通病。利用溫度控制合成了不同氮含量的材料，并探索出最優(yōu)值為13

5、.28wt.％富氮含量，揭示了氮元素在提高導電和儲鋰能力方面的良好表現(xiàn)。Sn@GCNS在0.2Ag-1下容量高達835mAhg-1；在0.8Ag-1下可以穩(wěn)定循環(huán)1000周，容量保持率高達85%，體現(xiàn)了穩(wěn)定的循環(huán)性能及良好的倍率性能。為了得到大功率鋰離子電池負極材料，高效地構(gòu)造了層層整齊堆疊的電極結(jié)構(gòu)。本文集中在大片石墨烯（LG）復合材料的設計，并利用接觸面積大的特點實現(xiàn)了普適的刮刀涂布方法制備整齊堆疊電極。與小面積石墨烯（SG）形成的

6、混亂排列電極結(jié)構(gòu)進行相比，MnCO3-LG因為更易于與集流體面-面接觸、堆砌，形成了層層堆疊的整齊結(jié)構(gòu)。這種整齊堆積的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了連續(xù)不間斷的導電網(wǎng)絡和離子傳輸通道，在高倍率條件下仍能保持非常高的電化學活性。由于MnII化合價態(tài)的升高，所制備的MnCO3-LG電極在0.5 A g-1電流下容量升至高達1350mAhg-1；在10Ag-1的超高電流密度下，容量仍能保持420mAhg-1；在1100周超長循環(huán)過程中，容量高達1000mAhg-