錫和錫鈦嵌鋰薄膜材料的直流濺射制備及電化學性能研究.pdf

1、當今世界上主要使用的能源是以煤炭、石油、天然氣為主的化石能源，但化石能源存在的污染大、破壞生態(tài)環(huán)境等問題，使得開發(fā)綠色無污染的新型高能化學電源成為研究熱點。由于目前鋰離子電池的商用負極材料已不能滿足實際需求，對高比容量、高穩(wěn)定性、高安全性、長壽命、低成本的新型鋰離子電池負極材料的開發(fā)已顯得迫不容緩。本文在綜合評述了鋰離子電池及其負極材料研究進展的基礎上，選取錫(Sn)基負極材料作為研究對象，創(chuàng)新性的采用真空濺射技術在銅箔基片上制備了不同

2、工藝參數(shù)的Sn、Sn/Ti和Ti/Sn復合膜。采用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP)等設備和技術，以及循環(huán)伏安(CV)、恒電流充放電等電化學測試方法，研究了制備方法、工藝參數(shù)對Sn、Sn/Ti和Ti/Sn復合膜的形貌、成份、相結構及電化學性能等的影響，為利用真空濺射技術開發(fā)新型的錫基薄膜負極材料提供了理論依據(jù)和關鍵制備技術。 研究了濺射功率對直流濺射Sn薄膜沉積速率、微結構及電化學

3、性能的影響。結果表明，功率與沉積速率存在近似線性關系。隨著濺射功率的增加，薄膜的晶化加劇，晶粒粗化；當功率達24W時，錫銅相互擴散生成CuSn合金相。16W功率下制備的Sn薄膜電極具有最優(yōu)的電化學性能：首次循環(huán)效率達82.2％，30次循環(huán)后比容量維持在300mAh/g。 研究了濺射時間對Sn薄膜微結構的影響，隨著時間的增加，Sn薄膜晶化程度逐漸加劇，顆粒不斷增大。當沉積時間達20分鐘時，Sn顆粒的棱角收縮，使表面顆粒存在球形化趨

4、勢，從而使Sn薄膜電極具有最優(yōu)的循環(huán)性能。 研究了復合金屬鈦對Sn薄膜表面形貌和電化學性能的影響。制備了Sn/Ti和Ti/Sn復合膜，研究了復合薄膜的表面形貌、成份及鋰離子嵌脫行為，分析了Sn/Ti和Ti/Sn復合膜電極的容量衰減機理以及加入Ti后的作用機制。研究發(fā)現(xiàn)，金屬Sn和Ti的濺射順序?qū)π阅苡袠O大影響，先濺射Sn的Sn/Ti復合膜具有較佳的電化學性能。 從整體上說，金屬Ti的引入大大地改善了Sn/Ti復合膜的鋰離

5、子嵌脫行為。Sn/Ti復合膜電極的首次放電容量為896.1mAh/g，第2次循環(huán)時放電容量為827.9mAh/g，容量損失僅為7.58％，遠遠小于Ti/Sn復合膜電極的容量損失。電極第3次循環(huán)的放電容量為788.5mAh/g，到第12次循環(huán)時其放電容量達到最低值749.1mAh/g，隨后其放電容量開始緩慢增加，到第50次循環(huán)時達到777.8 mAh/g。從第3次到第50次循環(huán)，Sn/Ti復合膜電極組裝的電池幾乎沒有容量損失，Sn/Ti復

6、合膜電極組裝電池的電化學性能遠優(yōu)于Ti/Sn復合膜和純Sn電極。 Sn/Ti復合膜電極的首次充放電容量為875.8mAh/g，從第2次到第20次循環(huán)僅有27％的容量損失，遠遠小于Ti/Sn復合膜電極的容量損失。對比Sn薄膜20次循環(huán)后300 mAh/g左右的充放電容量，有了29％的性能提升。 最后，本文簡要介紹了密度泛函理論的基本原理，并采用基于密度泛函理論的第一性原理，用Material Studio 4.0軟件中的CASTE