鋰離子電池新型錫基合金負(fù)極材料電沉積、結(jié)構(gòu)與性能.pdf

1、目前商品化的鋰離子電池中使用的負(fù)極材料是碳材料。信息化技術(shù)和便攜式電子設(shè)備的發(fā)展對(duì)鋰離子電池提出了更高的要求，迫切需要研究更高質(zhì)量比容量的新型鋰離子電池負(fù)極材料，其中錫金屬及其合金具有較高的比容量，是很有希望取代碳負(fù)極材料的候選材料之一。本文介紹了鋰離子電池的發(fā)展與研究概況。對(duì)三維網(wǎng)狀Sn電極、多層結(jié)構(gòu)Cu/Sn合金電極以及三維網(wǎng)狀Sn-Co合金電極的制備、表征和電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。 采用電沉積技術(shù)制備了平面式和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)S

2、n電極，通過(guò)充放電和循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)測(cè)試了Sn電極的電化學(xué)性能；運(yùn)用掃描電鏡(SEM)觀察了電極充放電循環(huán)前后的形貌變化；用電化學(xué)交流阻抗(EIS)技術(shù)分析了不同電位下電極表面固體電解質(zhì)膜(SEI)的形成；并對(duì)Sn電極進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)，研究其對(duì)電極性能的影響。研究結(jié)果表明：電沉積制備的Sn電極，其首次放電容量高達(dá)700mAh/g以上。三維多孔結(jié)構(gòu)以及大量氣孔的存在，使得三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Sn電極的性能略優(yōu)于平面式Sn電極。多次循環(huán)后，Sn電極活性材

3、料發(fā)生大量的膨脹破裂，造成容量大幅度地下降，循環(huán)性能較差。EIS分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Sn電極表面在放電(嵌鋰)至1.4V時(shí)就有SEI膜的形成。電沉積Sn電極經(jīng)過(guò)熱處理后，電極的首次放電容量稍有下降，但是循環(huán)性能得到大大的改善。尤其是經(jīng)熱處理后，三維網(wǎng)狀Sn電極的電化學(xué)性能明顯優(yōu)于平面式Sn電極。X-射線衍射(XRD)分析表明，鍍層與基體之間由于相互擴(kuò)散而形成了Cu6Sn5和Cu3Sn合金，使鍍層與基體之間能保持良好的電接觸，提高了電極的循環(huán)性

4、能。 運(yùn)用電沉積技術(shù)在銅片基體上沉積了兩層錫和一層銅，得到Cu(基體)/Sn/Cu/Sn多層結(jié)構(gòu)鍍層。該多層結(jié)構(gòu)鍍層經(jīng)不同時(shí)間的熱處理后，通過(guò)充放電實(shí)驗(yàn)測(cè)試了各電極的電化學(xué)性能，采用X射線衍射(XRD)分析了各電極的物相組成及通過(guò)電鏡掃描觀察了鍍層在不同熱處理時(shí)間后的形貌變化。綜合結(jié)果表明，多層Cu/Sn鍍層在200℃下熱處理36h后，電極表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能。然后對(duì)其進(jìn)行了循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)、不同電流密度下的充放電實(shí)驗(yàn)以及不同電位

5、和不同循環(huán)后的電鏡掃描實(shí)驗(yàn)，來(lái)進(jìn)一步研究熱處理36h后的多層Cu/Sn電極。 運(yùn)用電沉積制備了平面式和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Sn-Co合金鍍層。X-射線衍射分析表明，Sn-Co合金鍍層為六方固溶體結(jié)構(gòu)。其電化學(xué)性能測(cè)試表明：三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的Sn-Co合金電極的性能比較穩(wěn)定，首次放電容量高達(dá)493.4mAh/g，首次的庫(kù)侖效率達(dá)80.03％，而平面結(jié)構(gòu)Sn-Co合金電極的庫(kù)侖效率為63.47％；經(jīng)50周循環(huán)后，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Sn-Co合金電極的

6、放電容量為329.6mAh/g，放電容量保持率為66.8％；掃描電鏡分析表明：三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Sn-Co合金電極表面是由大小不一、高低不同的“島”緊密排列在一起；“島”和多孔結(jié)構(gòu)的存在，緩沖了鋰嵌入時(shí)體積的膨脹，部分抑制了材料結(jié)構(gòu)的變化，減緩了電極容量的衰減，提高了電極的循環(huán)性能；不同充放電循環(huán)后的交流阻抗(EIS)分析結(jié)果表明：隨著循環(huán)的進(jìn)行，SEI膜不斷增厚，而鋰與Sn-Co合金發(fā)生合金化的反應(yīng)越來(lái)越容易進(jìn)行。 本文的創(chuàng)新之處有

7、兩點(diǎn)：(1)制備了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的泡沫銅，并以其作為集流體，通過(guò)電沉積技術(shù)獲得三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的錫基合金電極。利用這類(lèi)電極特殊的結(jié)構(gòu)來(lái)緩沖電極在充放電過(guò)程劇烈的體積變化，從而達(dá)到提高電極循環(huán)性能的目的；(2)通過(guò)電沉積技術(shù)獲得多層結(jié)構(gòu)Cu/Sn電極，經(jīng)熱處理后，Cu和Sn在界面間相互擴(kuò)散，在銅層與錫層之間，活性物質(zhì)Sn存在一定的濃度梯度，大大降低了在嵌鋰過(guò)程中層與層之間活性物質(zhì)體積膨脹的程度，從而也就降低了由體積膨脹引起的界面張力，保證了活性