納米結(jié)構(gòu)SnO2基復(fù)合纖維及其儲鋰性能研究.pdf

1、鋰離子電池是目前使用最廣泛的二次電池，全球每年生產(chǎn)幾十億只鋰離子電池并應(yīng)用到各種電子產(chǎn)品上，因此，進一步提高鋰離子電池的性能具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。目前商用的鋰離子電池負極材料主要是石墨，但存在兩個明顯的缺點：較低的理論比容量和過低的嵌鋰電位，導(dǎo)致鋰離子電池較低的比容量和安全隱患。
　　SnO2是一種應(yīng)用潛力巨大的負極材料，傳統(tǒng)上認為其理論比容量為780mA h g-1，但近年來研究發(fā)現(xiàn)，其理論比容量可達到1493mA h

2、g-1。然而，由于SnO2在鋰化/去鋰化過程中巨大的體積變化和自身較差的導(dǎo)電性等問題，導(dǎo)致電極材料粉化和反應(yīng)活性低下。而且，實現(xiàn)SnO2與Sn的轉(zhuǎn)換反應(yīng)可逆是其達到更高理論比容量的前提。
　　針對上述問題，本論文基于SnO2與碳材料的復(fù)合，通過材料的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計、靜電紡絲制備技術(shù)優(yōu)化、多巴胺自發(fā)聚合包覆和碳化以及氧化物的刻蝕等，探索制備出多種SnO2基復(fù)合納米纖維，研究了這些具有特殊納米結(jié)構(gòu)的電極材料的電化學(xué)反應(yīng)機理和性能。

3、>　　1.碳包覆的SnO2/Fe3O4復(fù)合納米纖維
　　采用靜電紡絲技術(shù)制備了SnO2/Fe2O3復(fù)合納米纖維，利用在室溫水浴弱堿環(huán)境中多巴胺會自發(fā)在纖維表面聚合特性，制備出碳化聚多巴胺包覆的SnO2/Fe3O4復(fù)合納米纖維。作為負極材料用于鋰離子電池半電池時，這種碳包覆的SnO2/Fe3O4復(fù)合納米纖維電極具有優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能。在100mA g-1的電流密度下循環(huán)80次后容量為850mA h g-1；在1600mA g-

4、1的電流密度下電極的可逆容量為402mA h g-1。循環(huán)后的碳包覆SnO2/Fe3O4復(fù)合納米纖維，其結(jié)構(gòu)基本上保持完整。
　　2.碳包覆的富含孔隙的SnO2復(fù)合納米纖維
　　采用靜電紡絲技術(shù)并結(jié)合包覆和刻蝕工藝，制備了碳化聚多巴胺包覆的富含孔隙的SnO2/voids@C復(fù)合納米纖維。纖維內(nèi)部形成的孔隙極大地緩沖了SnO2體積膨脹導(dǎo)致的應(yīng)力，內(nèi)部的碳骨架阻止了SnO2納米顆粒的團聚，外部的碳包覆層有利于形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)

5、相界面膜。實驗表明，在鋰離子電池半電池中， SnO2/voids@C復(fù)合納米纖維電極上發(fā)生的SnO2與Sn的轉(zhuǎn)換反應(yīng)是高度可逆的，首次庫倫效率高達73.5％，經(jīng)過200次循環(huán)后可逆容量為986mA h g-1，具有優(yōu)異的電化學(xué)儲鋰性能。以該電極為負極、商用LiCoO2為正極組裝了鋰離子電池全電池，證明了在全電池中SnO2與Sn的轉(zhuǎn)換反應(yīng)同樣可逆。
　　3.多孔SnO2/C復(fù)合納米纖維
　　以聚丙烯腈（PAN）作為碳

6、源，正硅酸乙酯（TEOS）作為犧牲模板的前驅(qū)物，采用靜電紡絲技術(shù)并結(jié)合碳化和刻蝕工藝，制備出多孔的SnO2/C復(fù)合納米纖維。電化學(xué)測試表明，這種復(fù)合納米纖維電極作為鋰離子電池半電池的工作電極時，首次庫倫效率為70.8%，在300mA g-1的電流密度下130次循環(huán)后的可逆容量為735mA h g-1。較高的首次庫倫效率和較大的可逆比容量同樣源于SnO2與Sn的可逆轉(zhuǎn)換反應(yīng)。
　　4.多孔碳納米纖維
　　考慮到多巴胺優(yōu)異的人體