鋰離子電池SnO2納米負極材料的雙摻雜改性研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，高能鋰離子電池已經(jīng)在家用電子產(chǎn)品、電動車以及大型固定蓄電池中扮演重要的角色。正如預期的，通過提高電化學性能的方式來使鋰離子電池獲得更高的能量密度、更長的循環(huán)壽命以及更好的安全性的需求日益上升。由于它們注重實際應用和安全問題、能量密度和循環(huán)壽命，所以更加關(guān)注近年來的電池研究，并且將這些因素考慮到下一代的高性能鋰離子電池當中。如今，碳/石墨被普遍用作商業(yè)鋰離子電池負極材料。但是，由于碳的電極電位與鋰的電位很接近，當電池過

2、充電時，會有部分鋰離子在碳電極表面沉積，形成鋰枝晶而引發(fā)安全性問題。另一方面，由于碳/石墨第一次充放電時，會在碳表面形成固體電解質(zhì)中間相（Solid Electrolyte Interface Film，簡稱SEI膜），造成較大的不可逆容量損失，并且SEI膜的產(chǎn)生增加了電極/電解液界面阻抗，不利于Li+的可逆嵌入和脫出。相比較其它候選的負極材料，碳/石墨的明顯不足是容量低（vs.晶體/無定型硅），倍率性能差(vs.尖晶石 Li4Ti5O

3、12)，以及缺乏其它所不具備的好的性能優(yōu)勢。尋找安全性能更好、比容量更高、循環(huán)壽命更長的新型負極材料，已成為鋰離子電池研究的焦點。
　　根據(jù)各類的報道，金屬氧化物負極材料通過有效的改性之后已證明具有很好的性能。尤其是SnO2，它的首周相轉(zhuǎn)變反應通過Li-Sn合金化反應可以釋放1494mAh g-1理論比
　　容量的鋰存儲機制已經(jīng)被廣泛的研究(SnO2+4 Li++4e-→2Li2O+ Sn; Sn+4.4 Li++4.4 e

4、-? Li4.4Sn)。盡管SnO2的理論比容量是碳/石墨的四倍，但是其電極材料明顯的不足是容量保持性差，經(jīng)過反復的循環(huán)過后其容量有明顯的衰減。這種容量的衰減主要是由于在鋰離子的插入/脫出過程中體積改變達到250％而造成的電極材料的粉化。經(jīng)過長時間的循環(huán)，SnO2電極材料的粉化直接造成其容量的迅速衰減，并且不受控制的體積變化導致了其電極的破裂，這些將直接導致集流體和電子導電網(wǎng)接觸不良。這種體積改變將導致SnO2電極表面的SEI膜的增長，

5、因而使其相應的電化學機理不穩(wěn)定。更重要的是較差的容量保持不可避免的在循環(huán)過程中使容量迅速衰減，尤其是在高電流密度下。因此，通過抑制材料的粉化和體積改變，更進一步的提高電子導電性使 SnO2電極的容量保持性能得到提高，并進一步的應用到鋰離子電池當中是非常有必要的。
　　一種提高 SnO2電極電化學性能的有效方法是抑制其體積的變化與提高電極材料的電子電導率，使鋰離子更加有效的插入/脫出。為了達到這個目的，將元素摻雜到 SnO2晶格中是

6、一種行之有效的方法。最近，金屬元素已成功摻雜到 SnO2晶格中，并且研究發(fā)現(xiàn)摻雜后的樣品具有體積緩沖和電子導電性提高的作用。另一方面，已經(jīng)證實氮摻雜SnO2表現(xiàn)出優(yōu)越的電學和光學性能，并且可能更好的提高電子電導率。因此，金屬元素和氮元素共摻雜 SnO2樣品應該充分利用其增加體積的緩沖效果和提高電子導電率的作用，使SnO2電極更有利于Li+的可逆嵌入和脫出。然而，金屬元素和氮元素共摻雜SnO2樣品的電化學性能尚未見報道。
　　本文我

7、們通過不同前驅(qū)物，經(jīng)過水熱法以及在氮氣氛圍下進一步的燒結(jié)后制備出了Cu-N/SnO2、Ni-N/SnO2、Co-N/SnO2和Fe-N/SnO2復合材料，并且對材料的研究做了一系列的工作，具體如下。
　　1.以 Cu(NO3)2·3H2O作為銅源通過一步簡單的水熱法并在氮氣氛圍下進一步的燒結(jié)后制備出了Cu-N/SnO2復合材料，并對其進行了一系列的物理性能和電化學性能的表征，且與SnO2和Cu/SnO2相比，有效改善了材料的循環(huán)保

8、持性并提高了質(zhì)量比容量。
　　2.以NiCl2·6H2O作為鎳源通過一步簡單的水熱法并在氮氣氛圍下進一步的燒結(jié)后制備出了Ni-N/SnO2復合材料，并對其進行了一系列的物理性能和電化學性能的表征，且與SnO2和Ni/SnO2相比，明顯改善了材料的循環(huán)保持性并提高了質(zhì)量比容量。
　　3.以 Co(NO3)2·6H2O作為鈷源通過一步簡單的水熱法并在氮氣氛圍下進一步的燒結(jié)后制備出了Co-N/SnO2復合材料，并對其進行了一系列的